De första stjärnorna i kosmos kan ha haft en massa som var över 10 000 gånger större än solens, vilket är ungefär 1 000 gånger större än de största stjärnorna i dag, enligt en ny studie.
Numera är de största stjärnorna 100 solmassor. Men det tidiga universum var en mycket mer exotisk plats, fylld av megagigantiska stjärnor som levde snabbt och dog mycket, mycket unga, har forskarna funnit.
När dessa dömda jättar väl hade dött ut fanns det aldrig förutsättningar för att de skulle kunna bildas igen.
Den kosmiska mörka medeltiden
För mer än 13 miljarder år sedan, strax efter Big Bang, fanns det inga stjärnor i universum. Det fanns inget annat än en varm soppa av neutral gas, som nästan uteslutande bestod av väte och helium. Under hundratals miljoner år började den neutrala gasen dock samlas till allt tätare materiebollar. Denna period är känd som den kosmiska mörka tiden.
I det moderna universum kollapsar täta bollar av materia snabbt och bildar stjärnor. Men det beror på att det moderna universum har något som det tidiga universum saknade: en massa grundämnen som är tyngre än väte och helium. Dessa grundämnen är mycket effektiva när det gäller att stråla bort energi. Detta gör att de täta klumparna kan krympa mycket snabbt och kollapsa till tillräckligt hög densitet för att utlösa kärnfusion – den process som driver stjärnor genom att kombinera lättare grundämnen till tyngre.
Men det enda sättet att få fram tyngre grundämnen är genom samma kärnfusionsprocess. Flera generationer av stjärnor som bildas, smälter och dör har berikat kosmos till dess nuvarande tillstånd.
Utan förmågan att snabbt frigöra värme måste den första generationens stjärnor bildas under mycket annorlunda och mycket svårare förhållanden.
Kallfronter
För att förstå pusslet med de första stjärnorna har ett team av astrofysiker använt sig av sofistikerade datorsimuleringar från den mörka medeltiden för att förstå vad som hände på den tiden. De rapporterade sina resultat i januari i en artikel som publicerades i preprint-databasen arXiv och som skickades för granskning till Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Det nya arbetet innehåller alla de vanliga kosmologiska ingredienserna: mörk materia som hjälper galaxer att växa, utvecklingen och klumpningen av neutral gas och strålning som kan kyla och ibland värma upp gasen igen. Men deras arbete innehåller något som andra har saknat: kallfronter – snabbt rörliga strömmar av nedkyld materia – som slår in i redan bildade strukturer.
Forskarna fann att en komplex väv av interaktioner föregick den första stjärnbildningen. Neutral gas började samlas och klumpa ihop sig. Väte och helium släppte ut lite värme, vilket gjorde att klumpar av den neutrala gasen sakta nådde högre densitet.
Men klumpar med hög densitet blev mycket varma och producerade strålning som splittrade den neutrala gasen och hindrade den från att splittras i många mindre klumpar. Det betyder att stjärnor som skapas från dessa klumpar kan bli otroligt stora.
Supermassiva stjärnor
Denna växelverkan mellan strålning och neutral gas ledde till massiva pooler av neutral gas– början på de första galaxerna. Gasen djupt inne i dessa protogalaxer bildade snabbt snurrande ackretionsskivor – snabbt flödande ringar av materia som bildas runt massiva objekt, inklusive svarta hål i det moderna universum.
Samtidigt regnade kalla gasfronter ner på protogalaxernas ytterkanter. De kallaste och mest massiva fronterna trängde in i protogalaxierna ända fram till ackretionsskivan.
Dessa kallfronter slog in i skivorna och ökade snabbt både deras massa och densitet till ett kritiskt tröskelvärde, vilket gjorde det möjligt för de första stjärnorna att dyka upp.
De första stjärnorna var inte bara vanliga fusionsfabriker. De var gigantiska klumpar av neutral gas som antände sina fusionskärnor på en gång och hoppade över det stadium där de fragmenteras i små bitar. Den resulterande stjärnmassan var enorm.
Dessa första stjärnor skulle ha varit otroligt ljusstarka och skulle ha levt extremt kort tid, mindre än en miljon år. (Stjärnor i det moderna universum kan leva miljarder år). Därefter skulle de ha dött i rasande explosioner av supernovor.
Dessa explosioner skulle ha fört med sig produkterna från de interna fusionsreaktionerna – grundämnen som är tyngre än väte och helium – som sedan gav upphov till nästa omgång av stjärnbildning. Men eftersom de nu är förorenade av tyngre ämnen kunde processen inte upprepas, och dessa monster skulle aldrig mer dyka upp på den kosmiska scenen.
