De eerste sterren in de kosmos kunnen meer dan 10.000 keer de massa van de zon hebben gehad, ongeveer 1.000 keer groter dan de grootste sterren van vandaag, zo blijkt uit een nieuwe studie;
Tegenwoordig zijn de grootste sterren 100 zonsmassa's groot. Maar het vroege heelal was veel exotischer, gevuld met megareuzen die snel leefden en zeer, zeer jong stierven, zo ontdekten de onderzoekers.
En zodra deze gedoemde reuzen uitstierven, waren de omstandigheden nooit goed voor hen om zich opnieuw te vormen.
De kosmische Donkere Middeleeuwen
Meer dan 13 miljard jaar geleden, niet lang na de oerknal, had het heelal geen sterren. Er was niets meer dan een warme soep van neutraal gas, bijna geheel bestaande uit waterstof en helium. Maar in de loop van honderden miljoenen jaren begon dat neutrale gas zich op te stapelen tot steeds dichtere ballen van materie. Deze periode staat bekend als de kosmische Donkere Middeleeuwen.
In het moderne heelal storten dichte ballen materie snel in elkaar om sterren te vormen. Maar dat komt omdat het moderne heelal iets heeft wat in het vroege heelal ontbrak: veel elementen die zwaarder zijn dan waterstof en helium. Deze elementen zijn zeer efficiënt in het wegstralen van energie. Hierdoor kunnen de dichte klonten zeer snel krimpen, tot een dichtheid die hoog genoeg is om kernfusie op gang te brengen – het proces dat sterren aandrijft door lichtere elementen te combineren tot zwaardere.
Maar de enige manier om zwaardere elementen te krijgen is via datzelfde kernfusieproces. Meerdere generaties van sterren die zich vormden, fuseerden en stierven hebben de kosmos verrijkt tot de huidige staat.
Zonder het vermogen om snel warmte af te geven, moest de eerste generatie sterren zich onder veel andere en veel moeilijkere omstandigheden vormen;
Koude fronten
Om het raadsel van deze eerste sterren te begrijpen, heeft een team van astrofysici zich gewend tot geavanceerde computersimulaties van de donkere tijden om te begrijpen wat er toen gebeurde. Hun bevindingen zijn in januari gepubliceerd in een artikel in de preprint database arXiv en ter beoordeling voorgelegd aan de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Het nieuwe werk bevat alle gebruikelijke kosmologische ingrediënten: donkere materie om sterrenstelsels te laten groeien, de evolutie en samenklontering van neutraal gas, en straling die het gas kan afkoelen en soms weer opwarmen. Maar hun werk bevat iets wat anderen niet hebben: koude fronten – snel bewegende stromen van gekoelde materie – die in reeds gevormde structuren slaan.
De onderzoekers ontdekten dat een complex web van interacties voorafging aan de eerste stervorming. Neutraal gas begon zich te verzamelen en samen te klonteren. Waterstof en helium gaven een beetje warmte af, waardoor klonters van het neutrale gas langzaam een hogere dichtheid konden bereiken.
Maar klonters met een hoge dichtheid werden erg warm en produceerden straling die het neutrale gas uit elkaar haalde en voorkwam dat het in vele kleinere klonters uiteenviel. Dat betekent dat sterren uit deze klonters ongelooflijk groot kunnen worden.
Superzware sterren
Deze heen-en-weer-interacties tussen straling en neutraal gas leidden tot enorme pools van neutraal gas – het begin van de eerste sterrenstelsels. Het gas diep in deze proto-stelsels vormde snel draaiende accretieschijven – snelstromende ringen van materie die zich vormen rond massieve objecten, waaronder zwarte gaten in het moderne heelal.
Aan de buitenranden van de proto-galaxieën regende het koude gasfronten. De koudste, massiefste fronten drongen de proto-galaxieën binnen tot aan de accretieschijf.
Deze koudefronten botsten op de schijven, waardoor hun massa en dichtheid snel tot een kritische drempel stegen en de eerste sterren konden ontstaan.
Die eerste sterren waren geen normale fusiefabrieken. Het waren gigantische klompen neutraal gas die hun kern in één keer tot ontbranding brachten en het stadium waarin ze in kleine stukjes uiteenvallen oversloegen. De resulterende stellaire massa was enorm.
Die eerste sterren zouden ongelooflijk helder zijn geweest en extreem kort hebben geleefd, minder dan een miljoen jaar. (Sterren in het moderne heelal kunnen miljarden jaren leven). Daarna zouden ze zijn gestorven in woedende uitbarstingen van supernova-explosies;
Deze explosies zouden de producten van de interne fusiereacties hebben meegevoerd – elementen zwaarder dan waterstof en helium – die vervolgens de basis vormden voor de volgende ronde van stervorming. Maar nu ze besmet zijn met zwaardere elementen, kan het proces zich niet herhalen, en zullen deze monsters nooit meer op het kosmische toneel verschijnen.
