Het jonge heelal was gevuld met sterren 10.000 keer groter dan de Zon

De eerste sterren in het heelal kunnen meer dan 10.000 keer de massa van de Zon hebben gehad, ruwweg 1000 keer groter dan de grootste sterren van vandaag, zo blijkt uit een nieuwe studie.

Een afbeelding van een fonkelende uitbarsting van sterlicht
Een afbeelding van een fonkelende uitbarsting van sterlicht in het centrum van een turbulent veld van knetterende oranje straling en gloeiende zwarte gaten. Credit: ESA

Tegenwoordig zijn de grootste sterren 100 zonsmassa’s groot. Maar het jonge heelal was veel exotischer, vol met megareuzen die snel leefden en zeer, zeer jong stierven, zo ontdekten de onderzoekers. En toen deze gedoemde sterren eenmaal uitstierven, waren de omstandigheden nooit goed genoeg om ze opnieuw te vormen.

De kosmische donkere middeleeuwen

Meer dan 13 miljard jaar geleden, niet lang na de Oerknal, had het heelal geen sterren. Er was niets meer dan een warme soep van neutraal gas, bijna geheel bestaande uit waterstof en helium. Maar in de loop van de honderden miljoenen jaren begon dat neutrale gas zich op te stapelen tot steeds dichtere ballen van materie. Deze periode staat bekend als de kosmische donkere middeleeuwen.

In het moderne heelal storten dichte materiebollen snel ineens tot sterren. Maar dat komt omdat het moderne heelal iets heeft wat het jonge heelal niet had: veel elementen die zwaarder zijn dan waterstof en helium. Deze elementen stralen heel efficiënt energie uit. Daardoor kunnen de dichte klompjes zeer snel krimpen en instorten tot een dichtheid die hoog genoeg is om kernfusie op gang te brengen – het proces dat sterren aandrijft door lichtere elementen te combineren tot zwaardere.

Maar de enige manier om zwaardere elementen te krijgen is via datzelfde kernfusieproces. Meerdere generaties van sterren die ontstaan, fuseren en sterven hebben de kosmos verrijkt tot de huidige toestand.

Zonder het vermogen om snel hitte af te geven, moest de eerste generatie sterren zich onder veel andere en veel moeilijkere omstandigheden vormen.

Sterren ontstaan wanneer wolken van stof en gas instorten, waardoor kernfusie in de dichte materie wordt veroorzaakt.
Sterren ontstaan wanneer wolken van stof en gas instorten, waardoor kernfusie in de dichte materie wordt veroorzaakt. Credit: NASA/ESA/Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Koudefronten

Om het raadsel van de eerste sterren te begrijpen heeft een team van astrofysici zich gewend tot geavanceerde computersimulaties van de donkere middeleeuwen om te begrijpen wat er toen gebeurde. Hun bevindingen zijn afgelopen maand gepubliceerd in een artikel in de arXiv preprintserver en ter beoordeling voorgelegd aan de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Het nieuwe onderzoek bevat alle gebruikelijke kosmologische ingrediënten. Donkere materie om sterrenstelsels te laten groeien, de evolutie en samenklontering van neutraal gas en straling die het gas kan afkoelen en soms weer opwarmen. Maar hun werk bevat iets dat anderen niet hebben: koudefronten – snel bewegende stromen van afgekoelde materie – die op reeds gevormde structuren inslaan.

De onderzoekers ontdekten dat een complex web van interacties voorafging aan de eerste stervorming. Neutraal gas begon zich te verzamelen en samen te klonteren. Waterstof en helium gaven een beetje warmte af, waardoor klompjes neutraal gas langzaam een hogere dichtheid konden bereiken.

Maar klonten met een hoge dichtheid werden erg warm, waardoor straling vrijkwam die het neutrale gas uiteen deed vallen en voorkwam dat het in vele kleine klonten uiteenviel. Dat betekent dat sterren uit deze klonters ongelooflijk groot kunnen worden.

Superzware sterren

Deze heen-en-weer-interacties tussen straling en neutraal gas leidden tot enorme pool van neutraal gas – het begin van de eerste sterrenstelsels. Het gas diep in deze protstelsels vormde snel draaiende accretieschijven – snelstromende ringen van materie die zich vormen rond massieve objecten, waaronder zwarte gaten in het moderne heelal.

Ondertussen regen aan de buitenranden van de protosterrenstelsels koude gasfronten neer. De koudste, meest massieve fronten drongen de protosterrenstelsels binnen toe aan de accretieschijf.

Deze koudefronten sloegen in de schijven, waardoor hun massa en dichtheid snel tot een kritische drempel stegen en de eerste sterren konden ontstaan.

Die eerste sterren waren niet zomaar normale fusiefabrieken. Het waren gigantische klompen neutraal gas die in één keer hun fusiekernen ontstaken en het stadium oversloegen waarin ze in kleine stukjes uiteenvallen. De resulterende stellaire massa was enorm.

Die eerste sterren zouden ongelooflijk helder zijn geweest en extreem kort hebben geleefd, minder dan een miljoen jaar. (Sterren in het moderne heelal kunnen miljarden jaren leven). Daarna zouden ze zijn gestorven in heftige uitbarstingen van supernova-explosies.

Die explosies zouden de producten van de interne fusiereacties – elementen zwaarder dan waterstof en helium – hebben meegevoerd, die vervolgens de basis vormden voor de volgende ronde van stervorming. Maar nu ze vervuild zijn door zwaardere elementen, kan het proces zich niet herhalen, en zullen deze monsters nooit meer op het kosmische toneel  verschijnen.

Eerste publicatie: 19 maart 2023
Bron: space.com & anderen