Az első csillag születik show: mindössze 200 millió évvel a Nagy Bumm után?

Sok dolog van a világegyetem születésével kapcsolatban, amit elméletben már tudunk, de a gyakorlatban nem tudjuk bizonyítani. Meghatároztuk, mikor születtek az első csillagok, amelyek a létező csillagok legforróbbjai és legfényesebbjei voltak. Ezeket a csillagokat nem láttuk, akkor mégis honnan tudjuk? A válasz pedig egyszerű. Fém.

A Nagy Bumm után, majdnem 14 milliárd évvel ezelőtt két elem, a két legkönnyebb létezett: a hidrogén és a hélium, bár az univerzum hűlése során jelzésértékű mennyiségű deutérium és lítium is keletkezett. Ennek ellenére, ha most, korlátozott látásviszonyaink ellenére visszanézünk az univerzum gyermekkorára, a spektrumon rengeteg fémet észlelünk.

Ezeket pedig létre kellett hoznia valaminek. Tehát már léteznie kellett egy nagyon korai csillaggenerációnak.

Mivel a fémeket sikerült az általunk látott legöregebb csillagokban és legtávolabbi kvazárokban is kimutatni, ezért biztosak lehetünk benne, hogy léteztek a III-as Populáció csillagai (az első, fémtelen csillaggeneráció). Az egyik legtávolabbi megfigyelt objektum Z=10-nél helyezkedik el (500 millió évvel a Nagy Bumm után). Az objektum valószínűleg egy protogalaxisban helyezkedik el, amely tele van a II-es populáció csillagaival (ez a második csillaggeneráció, melyekben már van fém, csak kevés). Ez bele is fér abba az időbeosztásba, melyek a HE 1523-0901 alapján állítottak fel (ő a legöregebb csillag, amelyben fém is van). Eszerint az első nagy csillagformálódási hullám röviddel azután elkezdődött, hogy az univerzum létrejött.

A II. populáció csillagai az első generációhoz hasonlóan formálódtak (nem úgy, mint az I. populáció, melyek fémben gazdagok, és ilyen csillagformálódás még ma is zajlik): az alacsony fémmennyiség ellenére a körülmények többé-kevésbé ugyanolyanok voltak.

… melyek teljesen más körülmények, mint a maiak. Az az ősi hidrogén és hélium felhőzet teljesen más volt: hiányoztak belőle a porszemcsék és a fémek, így a csillagok ezek nélkül születtek.

Csillagbölcső

Ahhoz, hogy megértsük, ez miben más, mint a ma általunk ismert (és megfigyelt) csillagformálódás, tudnunk kell, milyen hatása van a fém- és porszemcséknek.

A legfontosabb hatás a környezetük hűtése. Ebből a szempontból három elem kiemelkedően fontos, a szén, a nitrogén és az oxigén. Hasonlóan jók erre a célra az ammónia-molekulák (NH3 is). Ez azért van, mert sok energiát tudnak felvenni, ugyanis könnyen hoznak létre kötéseket a környező atomokkal. (Így pl. szén-monoxd vagy víz keletkezhet)

A porszemcsék szerepe pedig az, hogy meggátolják a felhő ionizációját, ami pedig igen könnyedén megtörténhet a csillagokból és egyéb égitestekből származó UV-fény hatására. A porszemcsék elnyelik és szétszórják a fotonokat az UV-spektrumban (is), de az infravörös fotonokat szinte mind átengedik – azaz nem hevülnek a hatásukra. Így a porszemcsék képesek a gázfelhőket az univerzum mostani állapotában -263°C-ra hűteni.

Ezek nélkül a hatások nélkül létezett az univerzum 200 millió éves korában, amikor az első csillagok megszülettek. A WMAP-vizsgálat adataiból tudjuk, hogy az univerzum 380.000 éves korában kb. 2700°C forró volt – ami még mindig túlságosan meleg az általunk ismert csillagformálódáshoz, vagy egyébként bármi egyébhez.

És 200 millió évvel a Nagy Bumm után? A hőmérséklet átkos dolog, magától nem múlik el, valami másnak le kell adni, és mivel nehéz elemek és por nem létezett, a lehűlés java részéről a hidrogénatomok kötésbe lépése tehetett. Molekuláris hidrogén azonban nem jött létre az ún. rekombinációs korig (380.000 évvel a Nagy Bumm utánig), amikor is rengeteg szabad elektron száguldozott az univerzumban. Ezek az elektronok sokat tettek a molekuláris hidrogén létrejöttéért, amikor pedig ezek elfogytak, a folyamat megállt.

A gond csak annyi, hogy az így létrejövő felhők ütközéséből olyan mennyiségű hő termelődött volna, amely már az elején elfojthat egy születő csillagot. A molekuláris hidrogén tulajdonságai alapján ugyanis nem egyértelmű, hogy lehűlhettek-e ezek a hatalmas felhők eléggé ahhoz, hogy beindulhasson a csillagképződés. Márpedig beindult, elég szétnéznünk a világegyetemben, elég sok csillagot ismerünk, melyek ritka ősiek és már erős fémtartalommal bírnak.

Azaz, lehet, hogy a dilemma a molekuláris hidrogén mennyiségével van. Hogy az első csillagok megszülethessenek, a molekuláris hidrogén felhőjének eléggé le kell hűlnie (azaz alacsony energiaszintre kerülnie) ahhoz, hogy a gravitációs erő érvényesíthesse hatását.

A számítások szerint a felhő magjában, ahol a proto-csillag középpontjának össze kell tömörödnie, -70-80°C-ra van szüksége legalább, amit manapság porral és fémekkel jócskán túl is tud szárnyalni az univerzum.

Ilyen hőmérséklet melletti gravitációval számolva kb. 1160 naptömegű csillag jelenik meg.

Azaz, a molekuláris hidrogén által okozott lehűlés a felhőkben a számítások alapján igenis előidézhette azt a hideget azon a korai órán a világegyetemben, amelyben csillagok megszülethettek – méghozzá akár ezer naptömegnél is nagyobb monstrumok, melyek igen gyorsan elégették üzemanyagukat, hogy utána kolosszális tömegük összezuhanjon és brutális robbanásokkal szétszórják a legyártott nehezebb elemeket – és nem mellékesen megszüljék az univerzum első fekete lyukjait.

Ez már belefér az első időkről alkotott elméletbe, és a számok is korrektnek tűnnek – de az elmélet addig elmélet marad, amíg nem sikerül betekintenünk az ún. sötét korba, amelyben már az első csillagoknak fel kellett lángolniuk.

fromquarkstoquazars nyomán