Mørke stjerner: De første stjerner i universet

Mørke stjerner kan være ansvarlige for vores eksistens.

Mørke stjerner kan være ansvarlige for vores eksistens. (Billedkredit: Tobias Roetsch)

Alt om rummet



Alt om rummet problem 117



(Billedkredit: Future)

Denne artikel er bragt til dig af Alt om rummet .



All About Space-magasinet tager dig med på en ærefrygtindgydende rejse gennem vores solsystem og videre, fra den fantastiske teknologi og rumfartøjer, der gør det muligt for menneskeheden at vove sig i kredsløb til rumforskningens kompleksitet.

En stjerne dør. Et pludseligt lysglimt angiver enden i en supernovaeksplosion. Dette er imidlertid kun en del af stjernernes livscyklus, da de rige materialer, der blev skabt under stjernens dødsskader, skubbes ud i rummet af supernovaen.

Når den næste generation af stjerner dannes, fejer de resterne af supernovaen op og tiltræder de metaller, som den døende stjerne producerede - metaller er udtrykket, som astronomer bruger til noget, der er tungere end brint og helium . Metaller er vigtige; uden dem kunne skiven af ​​gas og støv, der omgiver en nydannet stjerne, ikke skabe stenede planeter. Men hvis nye stjerner genbruger metaller produceret ved død af gamle stjerner, hvad gjorde de allerførste stjerner?



Universet begyndte med Big Bang, som skabte gasserne hydrogen og helium, spormængder af lithium og måske beryllium såvel. Materiale begyndte at klumpe sig sammen og trak stadig mere materiale ind gennem tyngdekraftsattraktion. Det kan have været mørkt stof - det mystiske stof, der endnu ikke er blevet opdaget direkte - som først begyndte at akkumulere. Dette trak derefter det almindelige stof ind, de ting, vi kan se, såsom hydrogen og helium. Sammen skabte det mørke og almindelige stof det, der er kendt som en 'minihalo', selvom navnet er noget misvisende, da minihaloer havde masser omkring en million gange vores sols.

Hvor kom de første stjerner fra?

Hvor kom de allerførste stjerner fra?(Billedkredit: Tobias Roetsch)



Det var i mini -glorierne, at de første stjerner blev født 200 millioner år efter Big Bang.

De første stjerner er kendt som Population III -stjerner, og ingen er nogensinde blevet observeret, da de er for svage. De første stjerner måtte nøjes med det, de havde til rådighed, og dannede sig af skyer, der kun indeholdt hydrogen og helium. Da de døde i supernovaeksplosioner, producerede de de første metaller til den efterfølgende befolkning af stjerner, Population II, som har en lille andel af metaller. Disse fødte de metalrige Population I-stjerner, vi har i dag.

Det mørke stof i minihalo kan have gjort mere end at bringe elementer sammen - det kunne også have været til stede dybt inde i de første stjerner. Disse stjerner er kendt som 'mørke stjerner' på grund af det mørke stof i dem, selvom de faktisk ville have skinnet meget stærkt.

Alt, hvad vi kan se og opdage - stjernerne og galakser - udgør kun en lille smule 5% af universet, hvorimod mørkt stof udgør 25%. Resten er lavet af mørk energi, en anden underlighed, der menes at være ansvarlig for at accelerere universets ekspansion. Som CERN noter, interagerer mørkt stof ikke med almindeligt stof, og det producerer ikke noget lys. Vi ved kun, at den skal være der, da dens enorme tyngdekraft trækker i almindeligt stof.

En af de førende teorier, der forsøger at forklare den usynlige masse i universet, er en hypotetisk partikel kendt som en WIMP - en svagt interagerende massiv partikel. 'Svagt' interaktion refererer til deres forhold til almindeligt stof. De ville dog stadig interagere med sig selv. Faktisk hvis to WIMP'er kolliderede med hinanden, ville de ødelægge hinanden i en proces kendt som tilintetgørelse. Det er fordi teorier, som f.eks dette studie ved University of Maryland, forudsiger, at WIMP'er er deres egne 'antipartikler'.

Mørkt stof blev først samlet i klumper og filamenter, før det tiltrak almindeligt stof til det og derefter dannede de første stjerner

Mørkt stof blev først samlet i klumper og filamenter, før det tiltrak almindeligt stof til det og derefter dannede de første stjerner.(Billedkredit: Tom Abel & Ralf Kaehler (KIPAC, SLAC), AMNH)

Almindeligt stof har antipartikler, som er partikler, der har de samme egenskaber, men har modsat ladning. Atomer består af en kerne omgivet af elektroner. Elektroner har en negativ ladning, og hvis de møder en partikel kendt som en positron - med en positiv ladning - vil elektronen og positronen katastrofalt ødelægge hinanden.

En bivirkning ved tilintetgørelse er, at den producerer energi. Når en stjerne begynder at danne sig i en minihalo, vil det kollapsende materiale indeholde brint, helium og WIMP'er. Først siver energien fra de kolliderende WIMP'er ud i rummet, men når densiteten af ​​brint er høj nok, fanger den energien fra WIMP'erne inde i stjernen. Selvom WIMP'erne kun tegner sig for en lille brøkdel af stjernens masse, er de så effektive til energiproduktion, at de kan drive en mørk stjerne i millioner eller endda milliarder af år.

Det er stadig usikkert, om alle de første stjerner var almindelige Population III -stjerner uden mørkt stof, mørke stjerner, eller om begge stjernetyper sameksisterede. 'Standardscenariet for dannelsen af ​​de første stjerner er ikke afhængig af tilintetgørelse af mørkt stof,' siger Erik Zackrisson fra Uppsala Universitet i Sverige. 'Mørke stjerner ses ganske enkelt som et eksotisk alternativ til standardformationsruten.'

Almindelige stjerner drives af fusion, den proces, der omdanner brint til helium i stjernens kerne. Population III -stjernerne ville have været massive og vejet omkring 100 gange massen af ​​vores sol. De var imidlertid også meget varme, og dette begrænsede mængden af ​​materiale, som de kunne tiltrække. Mørke stjerner var derimod meget køligere. Dette betød, at de kunne tiltrække væsentligt mere af det omgivende materiale og teoretisk set kunne blive ved med at vokse, så længe der var nok mørkt stof til at brænde dem, som NASA noter. Mørke stjerner kunne have nået masser op til en million gange solens, med en lysstyrke en milliard gange lysere end den.

NASA -teknikere gennemfører en række kryogene test på seks James Webb Space Telescope beryllium spejlsegmenter

NASA -teknikere gennemfører en række kryogene test på seks James Webb Space Telescope beryllium spejlsegmenter.(Billedkredit: NASA)

Som man siger, skal alle gode ting ophøre, og WIMP'erne vil til sidst have udslettet hinanden. I modsætning til Population III -stjerner, der slutter deres liv som supernovaer, er mørke stjerner så massive, at de er skæbnesvangre om at blive et sort hul. De mindre mørke stjerner kunne tage en omvej på vej til glemselheden ved kortvarigt at tænde som en almindelig fusionsdrevet stjerne. Når dette skete, ville stjernen trække sig sammen og blive varmere. Brintet ville hurtigt have været forbrugt i stjernens mave, og da fusionsmotoren ikke længere kunne understøtte stjernen, ville det uundgåelige sammenbrud i et sort hul have fundet sted.

Den mest massive af de mørke stjerner ville helt have omgået fusionsfasen og kollapsede lige ind i et sort hul. Disse sorte huller var så massive, at de tilbyder en løsning på et problem, der tidligere havde undret forskere. Supermassive sorte huller, der kan være milliarder af solmasser, findes i midten af ​​hver galakse og vides kun at have eksisteret en milliard år efter Big Bang. En almindelig stjerne, der bryder sammen i et sort hul, ville imidlertid have brug for mere end et par hundrede millioner år for at sluge nok materiale til at blive et supermassivt sort hul. 'Almindelige stjerner kan ikke gøre det, fordi almindelige stjerner er for små,' forklarer Katherine Freese fra University of Texas i Austin. 'Mørke stjerner kan derimod vokse til at blive en million gange så massive som solen, og når de løber tør for brændstof, falder de sammen i sorte huller i millionmasser, de perfekte frø til uhyrlige supermassive sorte huller. '

Mørke stjerner ville uundgåeligt være faldet sammen i sorte huller.

Mørke stjerner ville uundgåeligt være faldet sammen i sorte huller.(Billedkredit: ESA)

De supermassive WIMP-drevne mørke stjerner kunne kun have dannet sig i minihaloer i det tidlige univers, da densiteten af ​​mørkt stof var meget højere end den er i dag. Med tiden, efterhånden som universet udvidede sig, blev alt mere spredt, så der er ikke længere minihaloer, der er i stand til at føde supermassive mørke stjerner.

Dette begrænser dem til det tidlige univers, hvilket også betyder, at de er i stor afstand fra os her på Jorden. Astronomer bruger udtrykket ' rødforskydning 'for at betegne afstand i kosmologi, da lyset fra et fjernt objekt vil blive forskudt mod den røde ende af spektret, tilladt at det bevæger sig væk fra os. Mørke stjerner findes kun ved høje rødforskydninger, hvilket gør dem til en observerende udfordring. Det infrarøde Ultra Deep Field billeder taget af Hubble blev brugt til at lede efter mørke stjerner, men ingen blev fundet. Dette betyder ikke nødvendigvis, at de ikke eksisterer, da der kunne være mindre lysende mørke stjerner, der lurer ud over Hubbles vision. Det kommende James Webb -rumteleskop (JWST) - der skal lanceres i oktober 2021 - vil overgå sin forgænger ved at se længere tilbage i tiden.

'Hvis mørke stjerner eksisterer og er tilstrækkeligt massive, talrige og langlivede, så har JWST bestemt en anstændig chance for at bekræfte deres eksistens ved høje rødforskydninger,' siger Zackrisson. 'Men da fordelingen af ​​mørke stjernegenskaber afhænger af både egenskaberne af partiklerne i det mørke stof og den kosmologiske udvikling af de mørke stof -glorier, der er vært for dem, er succes på ingen måde garanteret.'

Selvom JWST ikke kan registrere individuelle mørke stjerner, kan det stadig være i stand til at registrere deres samlede glød. Ligesom individuelle gadelamper tilføjer alt sammen til at producere et irriterende gult skær over byer, akkumuleres lys fra stjerner og galakser i det, der er kendt som det ekstragalaktiske baggrundslys (EBL). EBL er allerede blevet kortlagt til en vis grad, men de forbedrede målinger fra JWST vil bidrage til at snuse ud bidragene fra mørke stjerner, som ikke før har været overskuelige.

Hubble Ultra Deep Field blev brugt til at søge efter mørke stjerner i det tidlige univers.

Hubble Ultra Deep Field blev brugt til at søge efter mørke stjerner i det tidlige univers.(Billedkredit: NASA / ESA & Hubble)

Selvom WIMP -tilintetgørelse teoretisk set kan levere nok brændstof til at holde en mørk stjerne i gang i milliarder af år, er det usandsynligt, at nogen af ​​de mørke stjerner fra det tidlige univers stadig er der i dag. Det er imidlertid muligt, at en ny generation af mørke stjerner kunne eksistere, hvor koncentrationer af mørkt stof stadig er noget høje, f.eks. I midten af ​​galakser. Da der er mindre mørkt stof i galaktiske centre sammenlignet med minihaloer i det gamle univers, ville den nye generation af mørke stjerner være meget mindre massiv - kun svarende til vores sol - og vil aldrig være i stand til at konkurrere med glansdagene i første stjerner.

Solmasse mørke stjerner nær det galaktiske centrum ville ikke have dannet sig, mens de fangede WIMP'er inde i dem, men derimod ved at fange nogle af det mørke stof, der befinder sig i midten af ​​galaksen. Når dette sker, overtager opvarmning af mørkt stof efter almindelig fusion, og stjernerne køler og udvider sig. Dette ville ikke kun få dem til at se yngre ud, end de faktisk er, men det kan også forlænge deres levetid eksponentielt. Hvis der var nok mørkt stof til, at de løbende kunne tilskrive det, kunne de mørke stjerner eksistere på ubestemt tid. Evige mørke stjerner kunne give liv for nogle stjerner i universet.

En anden mulighed er, at 'døde' stjerner som neutronstjerner eller hvide dværge i det galaktiske centrum kunne samle nok WIMP'er til at udløse opvarmning af mørkt stof, som det fremgår af en undersøgelse ved Queen's University i Kingston, Ontario. Disse stjerner ville ellers blive svagere med tiden, men med en ny varmekilde ville de få et nyt liv og fremstå underligt yngre og varmere end forventet.

At forstå de tidlige år af vores vidunderlige univers og hvordan de første stjerner blev til, er afgørende for at forstå, hvad vi ser omkring os i dag, samt for at forstå de mere komplekse objekter og fænomener i solsystemet. Det er en grumset periode, der er svær at observere, men med den næste generation af teleskoper, såsom JWST, kan det endelig være muligt at opdage både de supermassive mørke stjerner i det tidlige univers og deres mindre imponerende fætre i det galaktiske centrum.

At opdage, om det var Population III -stjerner, mørke stjerner eller begge, der var de første stjerner, der blev dannet i universet, vil have en dybtgående effekt på kosmologi. Det vil ikke vare længe, ​​før vi kan kaste lys over disse mørke medlemmer af kosmos.