Kosmoksen ensimmäisten tähtien massa saattoi olla yli 10 000 kertaa suurempi kuin auringon massa, mikä on noin 1 000 kertaa suurempi kuin nykyisin elävien suurimpien tähtien massa, todetaan uudessa tutkimuksessa.
Nykyään suurimmat tähdet ovat 100 auringon massaisia. Mutta varhaisessa maailmankaikkeudessa oli paljon eksoottisempi paikka, joka oli täynnä megajättiläistähtiä, jotka elivät nopeasti ja kuolivat hyvin, hyvin nuorina, totesivat tutkijat.
Ja kun nämä tuhoon tuomitut jättiläiset kuolivat sukupuuttoon, olosuhteet eivät koskaan olleet otolliset niiden muodostumiselle uudelleen.
Kosminen pimeä keskiaika
Yli 13 miljardia vuotta sitten, vähän aikaa alkuräjähdyksen jälkeen, maailmankaikkeudessa ei ollut tähtiä. Se oli pelkkää lämmintä neutraalia kaasukeittoa, joka koostui lähes kokonaan vedystä ja heliumista. Satojen miljoonien vuosien aikana neutraali kaasu alkoi kuitenkin kasaantua yhä tiheämmiksi ainepalloiksi. Tämä ajanjakso tunnetaan kosmisena pimeänä keskiaikana.
Nykyisessä maailmankaikkeudessa tiheät ainepallot romahtavat nopeasti muodostaen tähtiä. Tämä johtuu siitä, että nykymaailmassa on jotain, mitä varhaisessa maailmankaikkeudessa ei ollut: paljon vetyä ja heliumia raskaampia alkuaineita. Nämä alkuaineet säteilevät hyvin tehokkaasti energiaa pois. Tämän ansiosta tiheät rykelmät voivat kutistua hyvin nopeasti ja romahtaa riittävän tiheiksi käynnistääkseen ydinfuusion – prosessin, joka antaa voimaa tähdille yhdistämällä kevyempiä alkuaineita raskaammiksi.
Ainoa tapa saada raskaampia alkuaineita on kuitenkin tämä sama ydinfuusioprosessi. Useiden sukupolvien ajan muodostuneet, fuusioituneet ja kuolleet tähdet rikastuttivat kosmoksen nykyiseen tilaansa.
Ilman kykyä vapauttaa lämpöä nopeasti, ensimmäisen sukupolven tähtien oli muodostuttava paljon erilaisissa ja paljon vaikeammissa olosuhteissa.
Kylmät rintamat
Ymmärtääkseen näiden ensimmäisten tähtien arvoituksen astrofyysikkoryhmä turvautui pimeän keskiajan kehittyneisiin tietokonesimulaatioihin ymmärtääkseen, mitä tuolloin tapahtui. He raportoivat havainnoistaan tammikuussa julkaisemassaan artikkelissa, joka julkaistiin preprint-tietokannassa arXiv ja toimitettiin vertaisarvioitavaksi Monthly Notices of the Royal Astronomical Societyn julkaisuun.
Uudessa työssä on kaikki tavanomaiset kosmologiset ainesosat: pimeä aine, joka auttaa galaksien kasvussa, neutraalin kaasun kehitys ja kasautuminen sekä säteily, joka voi jäähdyttää ja joskus myös lämmittää kaasua. Heidän työhönsä sisältyy kuitenkin jotakin, mikä muilta on puuttunut: kylmiä rintamia – nopeasti liikkuvia jäähdytetyn aineen virtoja – jotka iskeytyvät jo muodostuneisiin rakenteisiin.
Tutkijat havaitsivat, että ensimmäistä tähtien muodostumista edelsi monimutkainen vuorovaikutusten verkosto. Neutraali kaasu alkoi kerääntyä ja kasautua yhteen. Vety ja helium vapauttivat hieman lämpöä, minkä ansiosta neutraalikaasun rykelmät saavuttivat hitaasti suuremman tiheyden.
Suuritiheyksisistä rykelmistä tuli kuitenkin hyvin lämpimiä, mikä tuotti säteilyä, joka hajotti neutraalin kaasun ja esti sitä pirstoutumasta moniksi pienemmiksi rykelmiksi. Tämä tarkoittaa, että näistä rykelmistä syntyneistä tähdistä voi tulla uskomattoman suuria.
Supermassiiviset tähdet
Nämä edestakaiset vuorovaikutukset säteilyn ja neutraalin kaasun välillä johtivat massiivisiin neutraalin kaasun kerrostumiin, jotka olivat ensimmäisten galaksien alku. Syvällä näissä protogalakseissa oleva kaasu muodosti nopeasti pyöriviä akkrektiokiekkoja – nopeasti virtaavia aineen renkaita, jotka muodostuvat massiivisten kohteiden ympärille, mukaan lukien nykymaailman maailmankaikkeuden mustat aukot.
Samaan aikaan protogalaksien ulkoreunoilla satoi alas kylmiä kaasurintamia. Kylmimmät ja massiivisimmat rintamat tunkeutuivat protogalakseihin aina akkrektiokiekkoon asti.
Nämä kylmät rintamat iskeytyivät kiekkoihin ja kasvattivat nopeasti sekä niiden massan että tiheyden kriittiseen kynnysarvoon, mikä mahdollisti ensimmäisten tähtien syntymisen.
Nuo ensimmäiset tähdet eivät olleet mitään tavallisia fuusiotehtaita. Ne olivat jättimäisiä neutraalikaasun möhkäleitä, jotka sytyttivät fuusioytimensä kerralla ja ohittivat vaiheen, jossa ne pirstoutuvat pieniksi palasiksi. Syntynyt tähtimassa oli valtava.
Nämä ensimmäiset tähdet olisivat olleet uskomattoman kirkkaita ja eläneet äärimmäisen lyhyen, alle miljoonan vuoden, elämän. (Nykyaikaisessa maailmankaikkeudessa tähdet voivat elää miljardeja vuosia). Sen jälkeen ne olisivat kuolleet raivoisissa supernova-räjähdyksissä.
Nämä räjähdykset olisivat kuljettaneet mukanaan sisäisten fuusioreaktioiden tuotteita – vetyä ja heliumia raskaampia alkuaineita – jotka sitten käynnistivät seuraavan tähdenmuodostuskierroksen. Mutta nyt, kun raskaammat alkuaineet ovat saastuttaneet prosessin, se ei voi toistaa itseään, eivätkä nuo hirviöt enää koskaan ilmestyisi kosmiseen näyttämölle.
