宇宙で最初の星は、最高で太陽の1万倍以上の質量を持ち、現在生きている最大の星のおよそ1000倍であった可能性があることが、新しい研究によって明らかになった。
現在、最大の星は100太陽質量の大きさです。しかし、初期の宇宙はもっとエキゾチックな場所で、超巨大星で満ちており、速く生き、非常に若く死んでいたことが、研究者らによって明らかにされました。
そして、一度滅びた運命の巨人たちが、再び形成される条件は整っていない。
宇宙の暗黒時代
130億年以上前、ビッグバンから間もない宇宙には、星がありませんでした。そこには、水素とヘリウムから成る中性ガスの温かいスープがあるだけだった。しかし、その中性ガスが何億年もかけて、どんどん高密度な物質の塊になり始めました。この時期が「宇宙の暗黒時代」と呼ばれている。
現代の宇宙では、高密度の物質の塊はすぐに崩壊して星になります。しかし、それは、水素やヘリウムよりも重い元素がたくさんあるためです。水素やヘリウムよりも重い元素は、エネルギーを効率よく放出することができるのです。このため、高密度の塊は急速に縮小し、核融合の引き金になるほどの高密度にまで崩壊します。
しかし、そもそもより重い元素を得るには、同じ核融合プロセスしかない。何世代もの星の形成、核融合、死によって、宇宙は現在の状態にまで濃縮された。
熱をすばやく放出する能力がないため、第一世代の星は、これまでとはまったく異なる、より困難な条件下で形成されなければならなかったのです。
寒冷前線
これらの最初の星のパズルを理解するために、天体物理学者のチームは、暗黒時代の高度なコンピューター・シミュレーションに注目しました。彼らは1月に、プレプリントデータベース「arXiv」に発表した論文でその成果を報告し、「王立天文学会月報」に投稿して査読を受けています。
銀河の成長を助ける暗黒物質、中性ガスの進化と凝集、ガスを冷却し時には再加熱する放射線など、宇宙論でよく知られている要素がすべて含まれています。しかし、彼らの研究には、他の研究者が欠けているものがあります。それは、すでに形成された構造にぶつかる「コールドフロント」（冷えた物質の高速移動の流れ）です。
研究者らは、最初の星形成に先立ち、複雑な相互作用の網が張られていることを突き止めた。中性ガスが集まり始め、塊になった。水素とヘリウムが少しずつ熱を放出し、中性ガスの塊がゆっくりと高い密度に達していったのです。
しかし、高密度の塊は非常に暖かくなり、中性ガスを分解する放射が発生し、多くの小さな塊に分解されるのを防いでいます。つまり、このような塊から作られた星は、とてつもなく大きくなる可能性があるのです。
超大質量星
このような放射線と中性ガスの相互作用によって、大量の中性ガスが形成され、これが最初の銀河の始まりとなりました。これらの原始銀河の奥深くにあるガスは、高速で回転する降着円盤を形成しました。
一方、原始銀河の外縁部では、冷たいガスの前線が降り注いでいた。最も冷たく巨大な前線は、原始銀河を貫通し、降着円盤まで到達した。
この冷たい前線が円盤にぶつかり、質量と密度を臨界値まで急激に増加させることで、最初の星が誕生したのです。
その最初の星は、普通の核融合工場ではなかった。中性ガスの巨大な塊が、核融合炉に一気に点火し、破片になる段階をスキップしたのだ。その結果、恒星の質量は膨大なものになった。
そのような最初の星は、信じられないほど明るく、100万年以下という極めて短い寿命だったでしょう。(現代の宇宙では、星は何十億年も生きることができます）。その後、超新星爆発の猛烈なバーストで死んでいったでしょう。
その爆発によって、水素やヘリウムよりも重い元素が内部核融合反応の産物として運ばれ、次の星形成の種になったのです。しかし、重元素に汚染された星では、このプロセスを繰り返すことができず、そのような怪物が宇宙空間に現れることは二度とないのです。
