تحقیقات جدید حاکی از آن است که وقتی اولین ستارگان کیهان از دوران تاریک کیهانی پدیدار شدند، اندازه آن‌ها ۱۰ هزار برابر خورشید بوده است.

امروزه بزرگترین ستارگان جرمی ۱۰۰ برابر جرم خورشید دارند. اما به گفته محققان، جهان اولیه مکان بسیار عجیب‌تری بوده است چرا که مملو از ستاره‌های غول‌پیکری بوده که سریع زندگی می‌کردند و در حالیکه بسیار بسیار جوان نیز بودند، از بین می‌رفتند. هنگامی که این غول‌های درخشان از بین رفتند، شرایط برای تشکیل دوباره آن‌ها هرگز مناسب نبود.

بیش از ۱۳ میلیارد سال پیش، اندکی پس از بیگ بنگ، جهان هیچ ستاره‌ای نداشت. در جهان چیزی بیش از یک توده گاز خنثی که تقریباً تماماً از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده بود، وجود نداشت. با این حال، طی صد‌ها میلیون سال، آن گاز خنثی شروع به انباشته شدن در توده‌های متراکم فزاینده‌ای از ماده کرد. این دوره به عنوان عصر تاریک کیهانی (cosmic Dark Ages) شناخته می‌شود.

در جهان امروزی، این توده‌های متراکم ماده به سرعت فرو می‌ریزند و ستاره‌ها را تشکیل می‌دهند. اما این امر به این دلیل است که جهان مدرن چیزی دارد که جهان اولیه فاقد آن بود و آن بسیاری از عناصر سنگین‌تر از هیدروژن و هلیوم است. این عناصر در تابش انرژی بسیار کارآمد هستند. این امر به توده‌های متراکم اجازه می‌دهد تا خیلی سریع کوچک شوند و به چگالی بالا برسند و همجوشی هسته‌ای (فرآیندی که طی آن با ترکیب عناصر سبک‌تر به عناصر سنگین‌تر، به ستارگان نیرو می‌بخشند) را آغاز کنند.

اما تنها راه برای به دست آوردن عناصر سنگین‌تر در وهله اول از طریق همین فرآیند همجوشی هسته‌ای است. حضور چندین نسل از ستارگان در حال شکل گیری، رخ دادن فرایند همجوشی و مرگ برخی ستارگان، کیهان را به وضعیت کنونی‌اش رسانده است. بدون توانایی انتشار سریع گرما، نسل اول ستارگان باید در شرایط بسیار متفاوت و بسیار دشوارتر تشکیل می‌شدند.

جبهه‌های سرد

برای درک معمای اولین ستاره‌ها، گروهی از اخترفیزیکدانان به شبیه‌سازی‌های کامپیوتری پیچیده دوران تاریکی روی آوردند تا دریابند در آن زمان چه گذشته است.
محققان در مطالعه جدید تمام اجزای معمول کیهان‌شناسی اعم از ماده تاریک برای کمک به رشد کهکشان‌ها، تکامل و تجمع گاز خنثی و تشعشعاتی که می‌توانند گاز را خنک و گاهی دوباره گرم کنند را مورد بررسی قرار دادند. آن‌ها همچنین جبهه‌های سرد (جریان‌های سریع ماده سرد) که به ساختار‌های از قبل شکل گرفتن ستارگان مربوط می‌شود را نیز مورد مطالعه قرار دادند.

محققان دریافتند که شبکه پیچیده‌ای از فعل و انفعالات قبل از تشکیل ستارگان اولیه رخ داده است که طی آن گاز خنثی شروع به جمع شدن و حالت توده‌ای شدن کرده است. هیدروژن و هلیوم کمی گرما آزاد کرده‌اند که این کار به توده‌های گاز خنثی اجازه داده به آرامی به چگالی بالاتری برسند. اما توده‌های با چگالی بالا بسیار گرم شدند و تشعشعاتی تولید کردند که گاز خنثی را از هم جدا کرد و از تکه تکه شدن آن به توده‌های کوچک‌تر جلوگیری کرد. این بدان معناست که ستارگان ساخته شده از این توده‌ها می‌توانند فوق العاده بزرگ شوند.

ستاره‌های پرجرم

این فعل و انفعالات رفت و برگشتی بین تشعشعات و گاز خنثی به ایجاد حوضچه‌های عظیمی از گاز خنثی منجر شد و این آغاز اولین کهکشان‌ها بود. گاز در اعماق این کهکشان‌های اولیه، قرص‌های برافزایشی به سرعت در حال چرخش را تشکیل می‌داد. یک قرص برافزایشی (accretion disc) یک ساختار دیسک مانند از ماده است که به شکل حلقوی به دور یک جسم خاص می‌چرخد. این جسم می‌تواند یک ستاره جوان، یک کوتوله سفید، یک ستاره نوترونی یا یک سیاهچاله باشد. این چرخش باعث ایجاد گرما و تابش می‌شود و دامنه این تابش برای ستارگان جوان مادون قرمز و برای بازماندگان ستاره‌ای پرتو ایکس است.

در همین حال، در لبه‌های بیرونی کهکشان‌های اولیه، جبهه‌های سرد گاز در حال سرازیر شدن بودند. سردترین و پرجرم‌ترین جبهه‌ها در قرص برافزایش کهکشان‌های اولیه نفوذ کردند. این جبهه‌های سرد به قرص‌ها برخورد کردند و به سرعت جرم و چگالی آن‌ها را تا آستانه بحرانی افزایش دادند و در نتیجه به اولین ستاره‌ها اجازه ظهور دادند.

آن ستارگان اولیه فقط یک کارخانه همجوشی معمولی نبودند. آن‌ها توده‌های غول پیکری از گاز خنثی بودند که هسته‌های همجوشی خود را به یک باره مشتعل می‌کردند و از مرحله‌ای که به قطعات کوچک تقسیم می‌شدند، گذر می‌کردند. جرم ستاره‌ای حاصل بسیار عظیم بود.

آن ستارگان اولیه بسیار درخشان بودند و عمر بسیار کوتاهی (کمتر از یک میلیون سال) داشتند، در حالیکه ستارگان در جهان مدرن می‌توانند میلیارد‌ها سال زندگی کنند. پس از آن، آن‌ها در انفجار‌های خشمگین موسوم به انفجار‌های ابرنواختر می‌مردند.

این انفجار‌ها محصولات واکنش‌های همجوشی داخلی (عناصری سنگین‌تر از هیدروژن و هلیوم) را که سبب آغاز دور بعدی شکل‌گیری ستاره می‌شد را حمل می‌کردند. اما اکنون که آن‌ها توسط عناصر سنگین‌تر محاصره شده‌اند، این فرآیند نمی‌تواند تکرار شود و آن هیولا‌ها دیگر هرگز در صحنه کیهانی ظاهر نمی‌شوند.

منبع: اسپیس