حضور ابرستارگان در کیهان اولیه - بیباپ

نتایج یک مطالعه تازه نشان می دهد که دنیا اولیه مملو از ستاره هایی بوده که مقدار آن ها 10 هزار برابر خورشید ما بوده است. به گزارش اسپیس، تحقیقات تازه حاکی از آن است که وقتی اولین ستارگان کیهان از دوران تاریک کیهانی پدیدار شدند، مقدار آن ها 10 هزار برابر خورشید بوده است.

امروزه بزرگترین ستارگان جرمی 100 برابر جرم خورشید دارند. اما به گفته محققان، دنیا اولیه مکان بسیار عجیب تری بوده است چرا که مملو از ستاره های غول پیکری بوده که سریع زندگی می کردند و در حالیکه بسیار بسیار جوان نیز بودند، از بین می رفتند. هنگامی که این غول های درخشان از بین رفتند، شرایط برای تشکیل دوباره آن ها هرگز مناسب نبود.

بیش از 13 میلیارد سال پیش، اندکی پس از بیگ بنگ، دنیا هیچ ستاره ای نداشت. در دنیا چیزی بیش از یک توده گاز خنثی که تقریباً تماماً از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده بود، وجود نداشت. با این حال، طی صد ها میلیون سال، آن گاز خنثی شروع به انباشته شدن در توده های متراکم فزاینده ای از ماده کرد. این دوره به عنوان عصر تاریک کیهانی (cosmic Dark Ages) شناخته می گردد.

در دنیا امروزی، این توده های متراکم ماده به سرعت فرو می ریزند و ستاره ها را تشکیل می دهند. اما این امر به این علت است که دنیا مدرن چیزی دارد که دنیا اولیه فاقد آن بود و آن بسیاری از عناصر سنگین تر از هیدروژن و هلیوم است. این عناصر در تابش انرژی بسیار کارآمد هستند. این امر به توده های متراکم اجازه می دهد تا خیلی سریع کوچک شوند و به چگالی بالا برسند و همجوشی هسته ای (فرآیندی که طی آن با ترکیب عناصر سبک تر به عناصر سنگین تر، به ستارگان نیرو می بخشند) را شروع نمایند.

اما تنها راه برای به دست آوردن عناصر سنگین تر در وهله اول به وسیله همین فرآیند همجوشی هسته ای است. حضور چندین نسل از ستارگان در حال شکل گیری، رخ دادن فرایند همجوشی و مرگ بعضی ستارگان، کیهان را به شرایط کنونی اش رسانده است. بدون توانایی انتشار سریع گرما، نسل اول ستارگان باید در شرایط بسیار متفاوت و بسیار دشوارتر تشکیل می شدند.

جبهه های سرد

برای درک معمای اولین ستاره ها، گروهی از اخترفیزیکدانان به شبیه سازی های کامپیوتری پیچیده دوران تاریکی روی آوردند تا دریابند در آن موقع چه گذشته است.

محققان در مطالعه تازه تمام اجزای معمول کیهان شناسی اعم از ماده تاریک برای یاری به رشد کهکشان ها، تکامل و تجمع گاز خنثی و تشعشعاتی که می توانند گاز را خنک و گاهی دوباره گرم نمایند را مورد آنالیز قرار دادند. آن ها بعلاوه جبهه های سرد (جریان های سریع ماده سرد) که به ساختار های از قبل شکل گرفتن ستارگان مربوط می گردد را نیز مورد مطالعه قرار دادند.

محققان دریافتند که شبکه پیچیده ای از فعل و انفعالات قبل از تشکیل ستارگان اولیه اتفاق افتاده است که طی آن گاز خنثی شروع به جمع شدن و حالت توده ای شدن نموده است. هیدروژن و هلیوم کمی گرما آزاد نموده اند که این کار به توده های گاز خنثی اجازه داده به آرامی به چگالی بالاتری برسند. اما توده های با چگالی بالا بسیار گرم شدند و تشعشعاتی فراوری کردند که گاز خنثی را از هم جدا کرد و از تکه تکه شدن آن به توده های کوچک تر جلوگیری کرد. این بدان معناست که ستارگان ساخته شده از این توده ها می توانند فوق العاده بزرگ شوند.

ستاره های پرجرم

این فعل و انفعالات رفت و برگشتی بین تشعشعات و گاز خنثی به ایجاد حوضچه های بزرگی از گاز خنثی منجر شد و این شروع اولین کهکشان ها بود. گاز در اعماق این کهکشان های اولیه، قرص های برافزایشی به سرعت در حال چرخش را تشکیل می داد. یک قرص برافزایشی (accretion disc) یک ساختار دیسک مانند از ماده است که به شکل حلقوی به دور یک جسم خاص می چرخد.

این جسم می تواند یک ستاره جوان، یک کوتوله سفید، یک ستاره نوترونی یا یک سیاهچاله باشد. این چرخش باعث ایجاد گرما و تابش می گردد و دامنه این تابش برای ستارگان جوان مادون قرمز و برای بازماندگان ستاره ای پرتو ایکس است.

در همین حال، در لبه های بیرونی کهکشان های اولیه، جبهه های سرد گاز در حال سرازیر شدن بودند. سردترین و پرجرم ترین جبهه ها در قرص برافزایش کهکشان های اولیه نفوذ کردند. این جبهه های سرد به قرص ها برخورد کردند و به سرعت جرم و چگالی آن ها را تا آستانه بحرانی افزایش دادند و در نتیجه به اولین ستاره ها اجازه ظهور دادند.

آن ستارگان اولیه فقط یک کارخانه همجوشی معمولی نبودند. آن ها توده های غول پیکری از گاز خنثی بودند که هسته های همجوشی خود را به یک باره مشتعل می کردند و از مرحله ای که به قطعات کوچک تقسیم می شدند، گذر می کردند. جرم ستاره ای حاصل بسیار بزرگ بود.

آن ستارگان اولیه بسیار درخشان بودند و عمر بسیار کوتاهی (کمتر از یک میلیون سال) داشتند، در حالیکه ستارگان در دنیا مدرن می توانند میلیارد ها سال زندگی نمایند. پس از آن، آن ها در انفجار های خشمگین موسوم به انفجار های ابرنواختر می مردند.

این انفجار ها محصولات واکنش های همجوشی داخلی (عناصری سنگین تر از هیدروژن و هلیوم) را که سبب شروع دور بعدی شکل گیری ستاره می شد را حمل می کردند. اما اکنون که آن ها به وسیله عناصر سنگین تر محاصره شده اند، این فرآیند نمی تواند تکرار گردد و آن هیولا ها دیگر هرگز در صحنه کیهانی ظاهر نمی شوند.