We moeten het hebben over de donkere middeleeuwen. Nee, niet die donkere middeleeuwen na de val van het West-Romeinse rijk. De kosmologische donkere middeleeuwen. De tijd in ons universum, miljarden jaren geleden, vóór de vorming van de eerste sterren. En we moeten het hebben over de kosmische dageraad:de geboorte van die eerste sterren, een tumultueus tijdperk dat het gezicht van de kosmos volledig hervormde tot zijn moderne vorm.

Die eerste sterren waren misschien totaal anders dan alles wat we in het huidige universum zien. En wij mogen, als we geluk hebben, op het punt staan ​​ze voor het eerst te zien.

De eerste zwarte gaten

Eerst moeten we een klein mysterie opzetten.

We weten inmiddels allemaal hoe zwarte gaten ontstaan. Een gigantische ster, ergens ten noorden van acht keer de massa van onze zon, leeft zijn korte maar voorspelbare leven, waterstof fuseren tot helium. Dan raakt de waterstof op en begint helium te fuseren. Dan raakt het helium op en begint zwaardere dingen te verbranden, zich een weg banen door het periodiek systeem totdat het ijzer raakt. IJzer samensmelten zuigt energie op in plaats van energie vrij te geven, en dus kan niets de verschrikkelijke ineenstorting van de ster door de zwaartekracht stoppen. Alles wordt samengeperst tot een klein volume, en nu heb je een zwart gat.

Na verloop van tijd kan dat zwarte gat andere zwarte gaten ontmoeten en consumeren, of gewoon aan het omringende interstellaire materiaal zuigen, de hele tijd toenemend in beefiness. Gegeven genoeg tijd en genoeg eten, het zwarte gat kan opzwellen tot een reus - een superzware reus. Deze wezens liggen op de loer in de harten van sterrenstelsels, en gemakkelijk de weegschaal kantelen tot maar liefst meer dan een miljoen keer de massa van onze zon.

Er blijft nieuw materiaal binnenkomen – alleen omdat het zwarte gat gigantisch is, wil nog niet zeggen dat de honger gestild is – en terwijl het gas in de gapende muil van het zwarte gat valt, het comprimeert en warmt op, helderder gloeien dan de sterren van een melkwegstelsel. Dit object heeft verschillende namen - quasar, blazar, actieve galactische kern - maar ze betekenen allemaal hetzelfde:een gigantisch zwart gat voedt zich.

Dat is allemaal goed en wel en een beetje angstaanjagend, maar hier is een probleem. We zien quasars in het verre heelal, wat betekent dat we quasars zien in het zeer jonge universum, toen het nog geen miljard jaar oud was (ja, dat is jong voor een universum). En het proces dat ik hierboven heb beschreven (grote sterren vormen, ze laten leven en sterven, het creëren van een zwart gat, laten voeden tot gigantische proporties) duurt veel langer dan een miljard jaar.

Hoe heeft ons universum zo snel monsterlijke zwarte gaten geproduceerd?

Fossielen uit een oude tijd

Als de gebruikelijke ster-> zwart gat-> quasarroute lijkt niet te werken in het vroege heelal, het wordt tijd om alternatieven te overwegen. Sneltoetsen. Er bestaan ​​snellere routes om de grote zwarte gaten te creëren die onze waarnemingen vereisen. En de snelste manier om een ​​superzwaar zwart gat te maken, is door te beginnen met een superzware ster.

Hoe superzwaar? Wat dacht je van 100, 000 zonnemassa's, is dat groot genoeg voor jou?

Zulke sterren bestaan ​​gewoon niet in het universum van vandaag. Als je al dat spul in een volume probeert te proppen dat compact genoeg is om er een ster van te maken, interacties en instabiliteiten zullen het fragmenteren als zoveel afbrokkelend koekjesdeeg in je handen, het vormen van veel normale sterren in plaats van één enkele monster. Dit is waarom we denken dat sterren van meer dan 100 zonsmassa's, terwijl het mogelijk is, tegenwoordig uiterst zeldzaam.

Maar het tijdperk van de Kosmische Dageraad was een andere tijd. Voor een, er bestonden nog geen zware elementen - de nucleaire smederijen waren nog niet lang genoeg in bedrijf om de interstellaire waterwegen te vervuilen. Straling van die extra elementen is een geweldige manier om een ​​gaswolk af te koelen en de fragmentatie ervan in kleinere brokken te veroorzaken. Tweede, de jonge kosmos werd overspoeld met hoogenergetische ultraviolette straling door de plotselinge geboorte van andere, kleinere sterren. Deze straling breekt moleculaire waterstof af, een ander belangrijk pad voor het afkoelen en fragmenteren van een gigantische gaswolk.

Dus hoewel weer zeldzaam, de omstandigheden waren misschien precies goed aan het einde van de kosmische donkere middeleeuwen om gigantische en zelfs superreuzensterren te vormen:genoeg materiaal had in een voldoende klein volume kunnen stromen zonder uit elkaar te splijten, geboorte van een grote ster.

Deze gigantische sterren zouden een kort leven hebben geleid en direct zijn ingestort om grote zwarte gaten te vormen. het verkorten van de gebruikelijke route naar het maken van quasars.

De kosmische dageraad breekt aan

Dit klinkt als een geweldig idee, maar in de wetenschap moeten grote ideeën het bewijs onder ogen zien voordat we erin kunnen gaan geloven. In dit geval, het zou best handig zijn om een ​​foto te hebben van een van deze gigantische sterren voordat ze in zwarte gaten en vervolgens in quasars veranderden.

Dat is zwaar, Hoewel, omdat de leeftijd waarop deze sterren leefden en stierven ver van ons verwijderd is. En die sterren, terwijl ze nog steeds gigantisch zijn naar sterrenmaatstaven, waren heel erg klein, waardoor ze op deze extreme afstanden nog moeilijker te zien zijn.

Maar voor één keer krijgen we misschien een meevaller. Recente simulaties van deze vreemde sterren onthullen dat ze verrassend cool zijn, met een oppervlaktetemperatuur ergens tussen 6, 000-8000 Kelvin, waardoor hun oppervlakken een intense rode gloed krijgen. En vanwege hun ongelooflijke omvang, ze zijn erg helder, barstend van licht met een intensiteit van tien miljard zonnen. Deze combinatie van pure helderheid en diepe roodheid betekent dat ze mogelijk zichtbaar zijn in infrarode golflengten voor sommige komende missies.

Missies zoals de James Webb Space Telescope, een instrument dat speciaal is ontworpen om op jacht te gaan naar de eerste sterren. Als superreuzen in die lang vervlogen tijden bestonden, en als sommigen van hen het geluk hadden te overleven in het tijdperk waarin hun broeders al begonnen te transformeren in monsterlijke zwarte gaten, ze net wat dichterbij in het zicht zetten, er is een kans dat we direct op de foto kunnen.

Wat een zicht zou dat zijn.