I universums ”barndom” var stjärnorna enorma i storlek

 

De första stjärnorna i kosmos var upp till över 10 000 gånger större än vår sols massa vilket är ungefär 1 000 gånger större stjärnor än de största stjärnorna som idag finns därute enligt en ny studie. I vår tid är de största stjärnorna 100 solmassor. Men i det tidiga universum bestod universum av mycket stora stjärnor. Stjärnor som snabbt gjorde slut på sitt bränsle och gjorde slut på sitt bränsle redan efter ca 1 miljon år, enligt nya forskarrön.

Genom sin storlek och sin korta existens fick universum vid dessas kollaps därefter nya grundämnen. De som sedan blev grunden till våra stjärnor av i dag och till uppbyggnaden av ex människan.

För mer än 13 miljarder år sedan, inte långt efter Big Bang, hade universum inga stjärnor. Det fanns inget annat än en varm soppa av neutral gas, nästan helt bestående av enbart väte och helium. Under hundratals miljoner år pressades den neutrala gasen  samman av gravitation till allt tätare bollar av materia. Denna tid är känd ses som den kosmiska mörka tiden.

I dagens universum kollapsar täta bollar av materia snabbare och då bildas stjärnor. Men det beror på att det moderna universum har något som det tidiga universum saknade: många olika grundämnen tyngre än väte och helium. Detta gör att de täta klumparna bestående av damm och gas i dag kan dras samman snabbt och  till hög densitet för att utlösa kärnfusion den process som driver stjärnors ljus och sken genom att kombinera lättare grundämnen till tyngre.

Men det enda sättet att få tyngre element i första skedet av universum var genom kärnfusionsprocess. Flera generationer av stjärnor som bildades, smälte och dog och berikade kosmos till dess nuvarande tillstånd av grundämnen.

Utan förmågan att snabbt släppa ifrån sig  värme måste den första generationen stjärnor bildats under mycket olika och mycket svåra förhållanden mot dagens stjärnor. För att förstå hur  de första stjärnor kom till vände sig ett team av astrofysiker till sofistikerade datorsimuleringar som skulle visa förhållandena  som vi förstår dem under  de mörka åldrarna då nästan enbart väte och helium fanns,  för att förstå vad som hände då. Resultatet  beskrevs i januari i en artikel som publicerades i preprintdatabasen arXiv och skickades in för peer review till Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Det teori som utarbetades innehåller alla vanliga kosmologiska ingredienser: den mörka materian för att skapa galaxer, utveckling och ihopklumpning av neutral gas, strålning, kylning och ibland uppvärmning av gas. Teorin innehåller också något som andra har teorier saknat: kallfronter – snabba strömmar av kyld materia – som smäller in i redan bildade strukturer.

Forskarna fann att en komplex ström av interaktioner av detta slag föregick den första stjärnbildningen. Neutral gas började samlas och klumpa ihop. Väte och helium släppte ut lite värme vilket gjorde det möjligt för klumpar av den neutrala gasen att långsamt nå högre densitet.

Dessa bildade klumpar med hög densitet blev mycket varma och producerade strålning som bröt isär den neutrala gasen och hindrade den från att fragmenteras i  mindre klumpar. Det innebar att stjärnor bestående av dessa klumpar kunde bli otroligt stora. Dessa fram och tillbaka interaktioner mellan strålning och neutral gas ledde till massiva pooler av neutral gas vilket blev början på de första galaxerna. Gasen djupt inne i dessa protogalaxer bildade snabbt snurrande ackretionsskivor - snabbt flytande ringar av materia som bildas runt protostjärnor inklusive svarta hål i universum. 

Under tiden och runt protogalaxernas ytterkanter slog kalla fronter av gas ner. De kallaste, mest massiva fronterna trängde in i protogalaxerna hela vägen fram till ackretionsskivan runt en protostjärna. Dessa kallfronter smällde in i skivorna och ökade snabbt både deras massa och densitet till en kritisk tröskel, vilket gjorde att de första stjärnorna kunde komma till och då i enorm storlek.

De första stjärnorna var inte vanliga fusionsstjärnor som vår sol. De var gigantiska klumpar av neutral gas som tändes genom fusion i dess kärna med en gång utan att först  fragmenteras i små bitar vilket sker i dagens stjärnbildningsprocess. Den resulterande stjärnmassan var enorm.

De första stjärnorna var mycket ljusstarka och bestod under kort tid, mindre än en miljon år. (Stjärnor i det moderna universum kan existera i miljarder år). Därefter skulle dessa första stjärnor slutat som supernovor. 

Dessa supernovor gav upphov till element tyngre än väte och helium - som sedan blev början till nästa generation av stjärnbildning vår tids stjärnor. Men då universum efter hand blev alltmer förorenad av tyngre element än väte och helium kunde processen då enorma stjärnor bildades av väte och helium aldrig mer kunna uppkomma.

Själv ser jag det som möjligt att hitta dessa jättar som var väldigt ljusstarka men kortlivade i sökandet i tid och rum med James Webbteleskopet. Om de  nu funnits.

Inlägget har som utgångspunkt en artikel av Paul M. Sutter är forskningsprofessor i astrofysik vid SUNY Stony Brook University och Flatiron Institute i New York City

Bild vikimedia tagen av Hubble teleskopet. I den här bilden förstoras och förvrängs en avlägsen galax ljus kraftigt av effekten av gravitationlinsing. Efter att bilden släppts offentligt använde astronomer bilden för att mäta galaxens avstånd från oss vilket visade sig vara 9,4 miljarder ljusår.