Pierwsze gwiazdy we Wszechświecie mogły być cięższe niż sto tysięcy Słońc. Co się z nimi stało?

W tym artykule:

1. Masa gwiazd wpływa na ich losy
2. Jaka była masa pierwszych gwiazd?
3. Jak powstawały pierwsze gwiazdy?

Wielki Wybuch miał miejsce ok. 13,8 mld lat temu. Kiedy powstały pierwsze gwiazdy? Przypuszcza się, że zdarzyło się to kilkaset milionów lat później.

Ich pojawienie się zakończyło okres, który bywa nazywany wiekami ciemnymi. Trwał on od momentu, kiedy pojawiło się kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła, czyli od ok. 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu. Wszechświat był wówczas bardzo ciemny: nie było w nim jeszcze najprawdopodobniej żadnych galaktyk ani gwiazd, czyli źródeł światła.

Później jednak rozpoczął się tzw. kosmiczny świt. Z dwóch jedynie dostępnych wówczas pierwiastków – wodoru i helu – zaczęły tworzyć się pierwsze gwiazdy i galaktyki. Przypuszcza się, że wtedy jeszcze nie powstawały żadne planety. A na pewno nie takie jak Ziemia, czyli planety skaliste, które zbudowane są z pierwiastków cięższych od wodoru.

Masa gwiazd wpływa na ich losy

Gwiazdy mogą wypalić się szybko. Mogą być również – jak czerwone karły – nadzwyczaj długowieczne. Wszystko zależy od ich wielkości i składu chemicznego. Generalnie gwiazdy istnieją tym dłużej, im dłużej utrzymuje się równowaga między ściskającą je siłą grawitacji, a rozpychającym ciśnieniem promieniowania, powstającym w wyniku zachodzącej w ich wnętrzu syntezy jądrowej.

Jak umierają gwiazdy? Wyjaśniamy fenomen supernowej

Życie masywnej gwiazdy kończy wybuch supernowej. W jego wyniku powstawały pierwiastki cięższe od żelaza. To znaczy, że każdy z nas ma coś w sobie z gwiazdy supernowej.

By ta równowaga się utrzymała, gwiazda nie może być zbyt masywna. „Maksymalna masa gwiazdy o składzie takim jak Słońce wynosi około 120 mas Słońca, jeśli gwiazda ta ma być stabilna” – pisze astronom Paul Murdin w książce „Wszechświat. Biografia”. Młode gwiazdy mogą mieć masę sięgającą 300 mas Słońca. Jednak są wówczas niestabilne.

Jaka była masa pierwszych gwiazd?

Jakie były te pierwsze gwiazdy? „Były jaśniejsze od typowych gwiazd rozświetlających obecnie niebo” – pisze Murdin. „Wydaje się bardzo prawdopodobne, że pierwsze gwiazdy były bardzo masywne. A to oznacza, że ich czas życia musiał być krótki i wynosić zaledwie miliony lat” – dodaje.

Przez lata naukowcy spierali się, jakie dokładnie były rozmiary pierwszych gwiazd. Niekiedy wskazywano, że mogły być nawet setki razy cięższe od Słońca. Inni badacze przychylali się do tezy, że były zbliżone wielkością do dzisiejszych stabilnych gwiazd. Jeszcze inni stawiali znacznie bardziej śmiałe hipotezy.

W serwisie preprintów naukowych arXiv.org pojawił się właśnie nowy artykuł. Jego autorzy twierdzą, że pierwsze gwiazdy mogły być nawet sto tysięcy razy cięższe od Słońca.

Jak powstawały pierwsze gwiazdy?

Badacze przeprowadzili symulacje formowania się gwiazd, skupiając się na procesie zwanym zimną akrecją. By powstała ciężka gwiazda, w bardzo krótkim czasie na bardzo małym obszarze musi skupić się bardzo dużo materii. Jednocześnie jednak temperatura tej materii nie może zbytnio wzrosnąć, bo to powstrzymałoby ją przed zapadnięciem się i utworzeniem gwiazdy.

Zdaniem badaczy we wczesnym Wszechświecie mogła zachodzić pewna sekwencja zdarzeń, pozwalająca na tworzenie się ultraciężkich gwiazd. Zasymulowali oni przypadek, kiedy w dysk akrecyjny tworzący się wewnątrz ogromnego skupiska gazu uderza ogromna ilość napływającej zimnej materii.

W takim przypadku powstałaby fala uderzeniowa. Zdestabilizowałaby ona gaz i spowodowała jego natychmiastowy kolaps. Zapadaniu się grawitacyjnemu mogłaby ulec nawet materia o masie sięgającej 100 tys. mas Słońca.

Skąd wiemy, jaki wiek ma gwiazda?

Po stuleciach patrzenia przez teleskopy w nocne niebo wiemy całkiem sporo o gwiazdach. Astronomowie są w stanie określić kluczowe atrybuty każdej gwiazdy, takie jak jej masa czy skład. W jaki...

W wyniku takiego procesu powstawałyby supermasywne gwiazdy. Dwa lata temu sugerowano, że to one właśnie dały początek supermasywnym czarnym dziurom znajdującym się w centrach galaktyk. Wtedy sugerowano, że te potężne pierwotne gwiazdy miały masę wynoszącą ok. 50 tys. mas Słońca.

Czy takie potwory faktycznie istniały we wczesnym Wszechświecie? Na razie mamy jedynie hipotezy. Naukowcy mają nadzieję, że odpowiedź na to pytanie przyniosą obserwacje wykonywane z pomocą Kosmicznego Teleskopu Webba.

Źródła: arXiv.org, phys.org.

Nasz ekspert

Magdalena Salik

Dziennikarka naukowa i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Pasjami czyta i pisze, miłośniczka literatury popularnonaukowej i komputerowych gier RPG. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com