Vi må snakke om de mørke tidene. Nei, ikkede mørke aldre etter det vestlige Romerrikets fall. Og vi må snakke om den kosmiske daggry: fødselen av de første stjernene, en svulst epoke som fullstendig omformet ansiktet til kosmos til sin moderne form.
De første stjernene kan ha vært helt ulikt alt vi ser i det nåværende universet. Og hvis vi er heldige, kan vi komme til å se dem for første gang.
Først må vi sette opp et lite mysterium.
Nå vet vi alle hvordan sorte hull blir. En gigantisk stjerne, et sted nord for åtte ganger solenes masse, lever sitt korte, men forutsigbare liv, og smelter sammen hydrogen til helium. Da går det tom for hydrogen og begynner å smelte helium. Så går den tom for helium og begynner å brenne tyngre ting, og tar seg opp i det periodiske bordet til det treffer jern. Fusing av jern suger energi i stedet for å frigjøre energi, og slik at ingenting kan stoppe den forferdelige gravitasjonskollapsen av stjernen. Alt blir presset ned i et bittelite volum, og nå har du et svart hull.
Over tid kan det sorte hullet møtes og konsumere andre sorte hull, eller bare suge til det omkringliggende interstellare materialet, og øke i biffiness hele tiden. Gitt nok tid og nok mat, kan det svarte hullet hovne opp til å bli en gigant - en supermassiv gigant. Disse skapningene lurer i hjertene til galakser, og tipper lett vekten på en enorm millionpluss ganger massen til solen vår.
Nytt materiale fortsetter å falle inn - bare fordi det svarte hullet er gigantisk, betyr ikke det at sulten er bedøvet - og når gassen faller inn i det gapet i det svarte hullet, komprimerer det og varmes opp, gløder lysere enn en galakas verdi av stjerner. Dette objektet går under flere navn - kvasar, blazar, aktiv galaktisk kjerne - men de betyr alle det samme: et gigantisk svart hull ermating.
Det er vel og bra og litt skremmende, men her er det et problem. Vi ser kvasarer i det fjerne universet, noe som betyr at vi ser kvasarer i det veldigung universet, da det ikke engang var en milliard år gammelt (ja, det er ungt for et univers). Og prosessen jeg nettopp beskrev ovenfor (å danne store stjerner, la dem leve og dø, lage et svart hull, la det fôre i gigantiske proporsjoner) tar mye lengre tid enn en milliard år.
Hvordan produserte universet vårt monster svarte hull så raskt?
Hvis den vanlige stjernen-> svart hull-> kvasarruten ikke ser ut til å virke i det tidlige universet, er det på tide å vurdere alternativer. Snarveier. Raskere ruter for å skape de store sorte hullene som observasjonene våre krever, eksisterer. Og den raskeste måten å lage et supermassivt svart hull er å starte med en supermassiv stjerne.
Hvor supermassivt? Hva med 100 000 solmasser, er det stort nok for deg?
Stjerner som det finnes rett og slett ikke i dagens univers. Hvis du prøver å stappe alt detting til et kompakt nok volum til å gjøre det til en stjerne, vil interaksjoner og ustabiliteter fragmentere den som så mye smuldrende kakedeig i hendene dine, og danne mange normale stjerner i stedet for et enkelt monster. Dette er grunnen til at vi synes stjerner over 100 solmasser er, selv om det er mulig, svært sjeldne i dag.
Men epoken med den kosmiske daggry var en annen tid. For det første var det ingen tunge elementer ennå - kjernefysiske smia hadde ikke vært i drift lenge nok til å forurense de interstellare vannveiene. Stråling fra de ekstra elementene er en flott måte å kjøle ned en gasssky og utløse dens fragmentering til mindre biter. For det andre ble det unge kosmos oversvømmet med høyenergi ultrafiolett stråling fra den plutselige fødselen av andre, mindre stjerner. Denne strålingen bryter molekylært hydrogen fra hverandre, en annen nøkkelbane for avkjøling og fragmentering av en gigantisk gasssky.
Så sjelden, kan forholdene ha vært helt på slutten av de kosmiske mørke tidene for å danne gigantiske og til og med supergigante stjerner: nok materiale kunne ha strømmet inn i et lite nok volum uten å splitte fra hverandre og føde en enorm stjerne.
Disse gigantiske stjernene ville ha ført korte liv og kollapset direkte for å danne store sorte hull og snarvei den vanlige ruten til å lage kvasarer.
Dette høres ut som en god ide, men i vitenskapen trenger store ideer å konfrontere bevisene før vi kan begynne å tro på dem. I dette tilfellet vil det være ganske nyttig å ha et fotografi av en av disse gigantiske stjernene før de ble til sorte hull og deretter til kvasarer.
Det er imidlertid tøft, fordi alderen da disse stjernene levde og døde, er langt borte fra oss. Og de stjernene, selv om de fremdeles er kjempestore etter stjernestandard, var veldig veldig små, noe som gjorde dem enda vanskeligere å få øye på disse ekstreme avstandene.
Men for en gangs skyld kan vi få en heldig pause. Nyere simuleringer av disse rare stjernene avslører at de er overraskende kule og har en overflatetemperatur et sted mellom 6000-8000 Kelvin, noe som gir overflatene en intens rød glød. Og på grunn av deres utrolige bulk, er de veldig lyse, sprengte med lys med en intensitet på ti milliarder soler. Denne kombinasjonen av ren lysstyrke og dyp rødhet betyr at de potensielt er synlige i infrarøde bølgelengder for noen kommende oppdrag.
Oppdrag som James Webb Space Telescope, et instrument spesielt designet for å jakte på de første stjernene. Hvis overordnede stjerner eksisterte i de lenge borte tidsepokene, og hvis noen av dem var heldige nok til å overleve i tiden der brødrene deres allerede begynte å forvandle seg til monster sorte hull, og sette dem bare litt nærmere i sikte, er det en sjanse for at vi kan direkte ta bildet sitt.
Hva et syn det ville være.
Les mer: “On the Detection of Supermassive Primordial Stars”
