Pierwsze gwiazdy w kosmosie mogły osiągnąć ponad 10 000 razy większą masę niż Słońce, czyli mniej więcej 1000 razy większą niż największe żyjące dziś gwiazdy - wynika z nowego badania;
Obecnie największe gwiazdy mają masę 100 mas Słońca. Ale wczesny wszechświat był o wiele bardziej egzotycznym miejscem, wypełnionym mega-gigantami, które żyły szybko i umierały bardzo, bardzo młodo, odkryli badacze.
A gdy te skazane na zagładę giganty wymarły, warunki nigdy nie były odpowiednie, by mogły się ponownie uformować.
Kosmiczne ciemne wieki
Ponad 13 miliardów lat temu, niedługo po Wielkim Wybuchu, we wszechświecie nie było gwiazd. Był niczym więcej niż ciepłą zupą neutralnego gazu, prawie w całości składającą się z wodoru i helu. Jednak przez setki milionów lat ten neutralny gaz zaczął się gromadzić w coraz gęstsze kule materii. Okres ten znany jest jako kosmiczne Ciemne Wieki.
We współczesnym wszechświecie gęste kule materii szybko zapadają się, tworząc gwiazdy. Dzieje się tak, ponieważ współczesny wszechświat ma coś, czego brakowało wczesnemu wszechświatowi: wiele pierwiastków cięższych od wodoru i helu. Pierwiastki te są bardzo wydajne w wypromieniowywaniu energii. Dzięki temu gęste skupiska mogą bardzo szybko się kurczyć, osiągając gęstość wystarczającą do uruchomienia fuzji jądrowej – procesu, który zasila gwiazdy poprzez łączenie lżejszych pierwiastków w cięższe.
Jednak jedynym sposobem na uzyskanie cięższych pierwiastków jest ten sam proces fuzji jądrowej. Wiele generacji gwiazd tworzących się, topiących i umierających wzbogaciło kosmos do obecnego stanu.
Bez zdolności do szybkiego uwalniania ciepła, pierwsza generacja gwiazd musiała uformować się w znacznie innych, i znacznie trudniejszych, warunkach.
Fronty chłodne
Aby zrozumieć zagadkę tych pierwszych gwiazd, zespół astrofizyków zwrócił się do wyrafinowanych symulacji komputerowych ciemnych wieków, aby zrozumieć, co się wtedy działo. O swoich odkryciach poinformowali w styczniu w pracy opublikowanej w bazie danych preprintów arXiv i przekazanej do recenzji w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Nowa praca zawiera wszystkie typowe składniki kosmologiczne: ciemną materię, która pomaga w rozwoju galaktyk, ewolucję i łączenie się neutralnego gazu oraz promieniowanie, które może ochłodzić, a czasem podgrzać gaz. Jednak ich praca zawiera coś, czego brakowało innym: zimne fronty – szybko poruszające się strumienie schłodzonej materii – które uderzają w już uformowane struktury.
Naukowcy odkryli, że złożona sieć oddziaływań poprzedziła pierwsze formowanie się gwiazd. Neutralny gaz zaczął się gromadzić i zlepiać. Wodór i hel uwolniły trochę ciepła, co pozwoliło kępom neutralnego gazu powoli osiągać większe gęstości.
Jednak kępy o dużej gęstości stały się bardzo ciepłe, wytwarzając promieniowanie, które rozbiło neutralny gaz i uniemożliwiło jego fragmentację na wiele mniejszych kęp. Oznacza to, że gwiazdy powstałe z takich kęp mogą stać się niewiarygodnie duże.
Gwiazdy supermasywne
Te wzajemne oddziaływania pomiędzy promieniowaniem a neutralnym gazem doprowadziły do powstania masywnych zbiorników neutralnego gazu– początków pierwszych galaktyk. Gaz głęboko w tych proto-galaktykach uformował szybko wirujące dyski akrecyjne – szybko płynące pierścienie materii, które tworzą się wokół masywnych obiektów, w tym czarnych dziur we współczesnym wszechświecie.
Tymczasem na zewnętrzne krawędzie proto-galaktyk spadały zimne fronty gazu. Najzimniejsze, najbardziej masywne fronty penetrowały proto-galaktyki aż do dysku akrecyjnego.
Te zimne fronty uderzyły w dyski, gwałtownie zwiększając ich masę i gęstość do krytycznego progu, umożliwiając tym samym pojawienie się pierwszych gwiazd.
Te pierwsze gwiazdy nie były zwykłymi fabrykami fuzji. Były to gigantyczne kępy neutralnego gazu, które zapaliły swoje rdzenie termojądrowe wszystkie naraz, pomijając etap, w którym rozpadają się na małe kawałki. Powstała w ten sposób masa gwiazdowa była ogromna.
Te pierwsze gwiazdy byłyby niezwykle jasne i żyłyby niezwykle krótko, mniej niż milion lat. (Gwiazdy we współczesnym wszechświecie mogą żyć miliardy lat). Po tym czasie zginęłyby we wściekłych wybuchach supernowych.
Eksplozje te niosłyby ze sobą produkty wewnętrznych reakcji termojądrowych – pierwiastki cięższe od wodoru i helu – które następnie zasiały kolejną rundę formowania się gwiazd. Jednak teraz, zanieczyszczony cięższymi pierwiastkami, proces ten nie mógł się powtórzyć, a te potwory już nigdy więcej nie pojawiły się na kosmicznej scenie.
