We moeten praten over de donkere middeleeuwen. Nee, nietdie donkere eeuwen na de val van het West-Romeinse rijk. En we moeten praten over de kosmische dageraad: de geboorte van die eerste sterren, een tumultueus tijdperk dat het gezicht van de kosmos volledig in zijn moderne vorm heeft veranderd.
Die eerste sterren waren misschien totaal anders dan alles wat we in het huidige universum zien. En als we geluk hebben, staan we op het punt om ze voor het eerst te zien.
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 en fuseert waterstof tot helium. Dan raakt het waterstof op en begint het helium te fuseren. Dan raakt het helium op en begint het zwaardere spullen te verbranden, en baant zich een weg naar het periodiek systeem totdat het ijzer raakt. Het smelten van ijzer zuigt energie in plaats van dat het energie afgeeft, en niets kan de verschrikkelijke zwaartekracht van de ster tegenhouden. Alles wordt in een klein volume geperst en nu heb je een zwart gat.
In de loop van de tijd kan dat zwarte gat andere zwarte gaten ontmoeten en consumeren, of gewoon op het omringende interstellaire materiaal zogen, waardoor de vlezigheid steeds groter wordt. Bij voldoende tijd en voldoende voedsel kan het zwarte gat opzwellen tot een reus - een superzware reus. Deze wezens liggen op de loer in de harten van sterrenstelsels en kantelen gemakkelijk de weegschaal met maar liefst miljoen keer de massa van onze zon.
Nieuw materiaal blijft erin vallen - alleen omdat het zwarte gat gigantisch is, wil nog niet zeggen dat de honger ervan verzadigd is - en als het gas in de gapende krop van het zwarte gat valt, wordt het samengedrukt en opwarmt, helderder gloeiend dan de waarde van een melkwegstelsel sterren. Dit object heeft verschillende namen - quasar, blazar, actieve galactische kern - maar ze betekenen allemaal hetzelfde: een gigantisch zwart gat isvoeden.
Dat is allemaal goed en wel en een beetje angstaanjagend, maar hier is een probleem. We zien quasars in het heel verre universum, wat betekent dat we quasars zien in het heeljong universum, toen het nog geen miljard jaar oud was (ja, dat is jong voor een universum). En het proces dat ik zojuist heb beschreven (het vormen van grote sterren, ze laten leven en sterven, een zwart gat creëren en het gigantische proporties geven) duurt veel langer dan een miljard jaar.
Hoe produceerde ons universum zo snel monsterzwarte gaten?
Als de gebruikelijke ster-> zwart gat-> quasar-route niet lijkt te werken in het vroege universum, wordt het tijd om alternatieven te overwegen. Snelkoppelingen. Snellere routes om de grote zwarte gaten te creëren waar onze waarnemingen om vragen. En de snelste manier om een superzwaar zwart gat te maken, is om te beginnen met een superzware ster.
Hoe superzwaar? Hoe zit het met 100.000 zonsmassa's, is dat groot genoeg voor jou?
Zulke sterren bestaan gewoon niet in het universum van vandaag. Als je dat allemaal probeert te proppenspullen in een compact genoeg volume om er een ster van te maken, interacties en instabiliteiten zullen het fragmenteren als zoveel afbrokkelend koekjesdeeg in je handen, waardoor veel normale sterren worden gevormd in plaats van een enkel monster. Daarom denken we dat sterren met meer dan 100 zonsmassa's tegenwoordig, hoewel mogelijk, uiterst zeldzaam zijn.
Maar het tijdperk van de Kosmische Dageraad was een andere tijd. Ten eerste bestonden er nog geen zware elementen - de nucleaire smederijen werkten nog niet lang genoeg 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. Ten tweede werd de jonge kosmos overspoeld met hoogenergetische ultraviolette straling door de plotselinge geboorte van andere, kleinere sterren. Deze straling breekt moleculaire waterstof af, een andere belangrijke weg om af te koelen en een gigantische gaswolk te fragmenteren.
Dus hoewel wederom zeldzaam, waren de omstandigheden misschien precies goed aan het einde van de kosmische donkere tijden om gigantische en zelfs superreuzen te vormen: genoeg materiaal had in een klein genoeg volume kunnen stromen zonder uiteen te vallen, waardoor een enorme ster ontstond.
Deze gigantische sterren zouden korte levens hebben geleid en direct in elkaar zijn gestort om grote zwarte gaten te vormen, waardoor de gebruikelijke route naar het maken van quasars werd verkort.
Dit klinkt als een geweldig idee, maar in de wetenschap moeten grote ideeën het bewijs confronteren voordat we erin kunnen gaan geloven. In dit geval zou het best handig zijn om een foto te hebben van een van deze gigantische sterren voordat ze veranderden in zwarte gaten en vervolgens in quasars.
Dat is echter moeilijk, omdat de tijd dat deze sterren leefden en stierven ver van ons verwijderd is. En die sterren, hoewel nog steeds gigantisch volgens de sterrennormen, waren heel erg klein, waardoor ze nog moeilijker te zien waren op deze extreme afstanden.
Maar voor een keer krijgen we misschien een geluksvakantie. Recente simulaties van deze vreemde sterren laten zien dat ze verrassend koel zijn, met een oppervlaktetemperatuur ergens tussen 6.000 en 8.000 Kelvin, waardoor hun oppervlakken een intense rode gloed krijgen. En vanwege hun ongelooflijke massa zijn ze erg helder en barsten ze van licht met een intensiteit van tien miljard zonnen. Deze combinatie van pure helderheid en diepe roodheid betekent dat ze mogelijk zichtbaar zijn in infraroodgolflengten voor een aantal aankomende missies.
Missies zoals de James Webb Space Telescope, een instrument dat speciaal is ontworpen om op jacht te gaan naar de eerste sterren. Als er in die lang vervlogen tijdperken superreuzen zouden bestaan, en als sommigen het geluk hadden te overleven in het tijdperk waarin hun broeders al begonnen te veranderen in monsterzwarte gaten, waardoor ze een tikkeltje dichterbij kwamen, bestaat de kans dat we direct neem hun foto.
Wat een aanblik zou dat zijn.
Lees meer: "Over de detectie van superzware oersterren"
