Πρώτα οι υπερκαινοφανείς έσπειραν το σύμπαν με τις οργανικές ουσίες

Από το Κέντρο Αστροφυσικής Smithsonian του Χάρβαρντ, 18 Σεπτεμβρίου 2003

Το πρώιμο σύμπαν ήταν μια 'άγονη και χέρσα' περιοχή με υδρογόνο, ήλιο και μια μικρή ποσότητα λιθίου, που δεν περιείχε κανένα από τα απαραίτητα στοιχεία για τη δημιουργία της ζωής όπως την ξέρουμε. Από εκείνα τα αρχέγονα αέρια φτιάχτηκαν τα πρώτα γιγαντιαία αστέρια με μάζα 200 φορές περισσότερη από τον ήλιο, καίγοντας τα καύσιμο τους με ένα τέτοιο καταπληκτικό ρυθμό, που αυτά τα πρώτα άστρα έζησαν μόνο 3 εκατομμύρια χρόνια, σχεδόν, πριν εκραγούν. 

Προσομοιωμένη δομή του αρχικού σύμπαντος. Στο πρώιμο σύμπαν, μικροί πρωτογαλαξίες συγκεντρώθηκαν μαζί σχηματίζοντας απέραντες νηματοειδείς δομές. Μέσα σε αυτές τις καυτές γαλαξιακές δομικές ομάδες του σύμπαντος, τα σουπερνόβα εξερράγησαν όπως τα πυροτεχνήματα και αποτέλεσαν την πρώτη και μεγαλύτερη παραγωγή άστρων, που πολύ γρήγορα έκαψαν τα καύσιμα τους και νεκρώθηκαν.

Εκείνες οι εκρήξεις έβγαλαν στοιχεία στο διάστημα όπως τον άνθρακα, το οξυγόνο και το σίδηρο με τεράστιες ταχύτητες. Οι νέες προσομοιώσεις από τους αστροφυσικούς Volker Bromm, του Κέντρου Αστροφυσικής Smithsonian, Naoki Yoshida (Εθνικό Αστρονομικό Παρατηρητήριο της Ιαπωνίας) και Lars Hernquist (CfA) εμφανίζουν ότι η πρώτη και η "μεγαλύτερη παραγωγή" αστεριών ανέβλυσε απίστευτα ποσά τέτοιων βαρέων στοιχείων σε αποστάσεις χιλιάδες ετών φωτός. Με αυτόν τον τρόπο έσπειραν το σύμπαν με το υλικό της ζωής.

"Μείναμε έκπληκτοι με το πόσο βίαιες ήταν οι πρώτες εκρήξεις των υπερκαινοφανών", λέει ο Bromm. "Ένα σύμπαν που ήταν αρχικά σε μια πρωτόγονη κατάσταση ηρεμίας γρήγορα και αμετάκλητα μετασχηματίστηκε σε ένα σύμπαν με τεράστια ποσά βαρέων στοιχείων. Έτσι μπήκε σε ένα στάδιο μιας μακριάς κοσμικής εξέλιξης, που οδήγησε τελικά στη ζωή και τα ευφυή όντα όπως εμείς."

Περίπου 200 εκατομμύρια χρόνια μετά από το Big Bang, το σύμπαν υποβλήθηκε σε μια δραματική έκρηξη σχηματισμού των αστέρων. Εκείνα τα πρώτα άστρα ήταν ογκώδη και έκαιγαν πολύ γρήγορα το υδρογόνο τους προς βαρύτερα στοιχεία, όπως είναι ο άνθρακας και το οξυγόνο. Πλησιάζοντας στο τέλος της ζωής τους, 'απελπισμένα' για ενέργεια, τα άστρα αυτά έκαψαν τον άνθρακα και το οξυγόνο τους για να σχηματίσουν έτσι ακόμη βαρύτερα στοιχεία μέχρι την επίτευξη του τέλους της εξέλιξης των ελαφρών στοιχείων με τη δημιουργία του σίδηρου. Καθώς ο σίδηρος δεν μπορεί να δώσει ενέργεια με τη σύντηξη, τα πρώτα αστέρια με τη δημιουργία του σιδήρου εξερράγησαν ως υπερκαινοφανείς, στέλνοντας τα στοιχεία που είχαν σχηματίσει στο διάστημα.

Κάθε ένα από εκείνα τα πρώτα γιγαντιαία αστέρια μετέτρεψαν τη μισή από τη μάζα τους σε βαρέα στοιχεία, που η περισσότερη ήταν ο σίδηρος. Κατά συνέπεια, κάθε υπερκαινοφανής εκσφενδόνισε μέχρι και 100 ηλιακές μάζες σίδηρο στο διαστρικό χώρο. Οι σπασμοί θανάτου του κάθε αστεριού πρόσθεσαν άφθονο υλικό στο διαστρικό μέσο. Ως εκ τούτου, το σύμπαν ηλικίας μόνο 275 εκατομμυρίων χρόνων, σπάρθηκε ουσιαστικά με μέταλλα.

Εκείνη η διαδικασία της σποράς βοηθήθηκε και από τη δομή του νηπιακού σύμπαντος, όπου μικροί  πρωτογαλαξίες με μάζα λιγότερη από το ένα εκατομμυριοστό της μάζας του Γαλαξία μας, στοίβαξαν μαζί. Τα μικρά μεγέθη και οι αποστάσεις μεταξύ εκείνων των πρωτογαλαξιών επέτρεψαν σε κάθε μεμονωμένο υπερκαινοφανή να 'σπείρει' βαρέα στοιχεία γρήγορα ένα σημαντικό όγκο του διαστήματος.

Οι προσομοιώσεις σε υπερυπολογιστές από τους Bromm, Yoshida, και Hernquist έδειξαν ότι οι πιο ενεργητικές εκρήξεις των υπερκαινοφανών δημιούργησαν τεράστια κύματα κλονισμού, τέτοια που έστειλαν προς το διάστημα βαριά στοιχεία μέχρι και 3.000 έτη φωτός μακριά. Εκείνα τα κύματα κλονισμού έστειλαν τεράστια ποσά αερίου στο διαγαλαξιακό διάστημα, αφήνοντας πίσω καυτές "φυσαλίδες" και προκάλεσαν έτσι νέους κύκλους σχηματισμού αστεριών.

Ο ειδικός στους υπερκαινοφανής Robert Kirshner (CfA) λέει, "Αυτή η θεωρία σήμερα είναι συναρπαστική και μας έμαθε με τον καλύτερο τρόπο το πώς δούλεψαν τα πρώτα αστέρια. Σε μερικά χρόνια, όταν φτιάξουμε το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb Space Telescope, το διάδοχο του Hubble, πρέπει να είμαστε σε θέση να δούμε αυτούς τους πρώτους υπερκαινοφανείς και να εξετάσουμε τις ιδέες του Volker".

Ο Lars Hernquist σημειώνει ότι η δεύτερη γενεά των αστεριών περιείχε βαριά στοιχεία από την πρώτη γενεά - τους σπόρους από τους οποίους θα μπορούσαν να προέλθουν οι βραχώδεις πλανήτες, όπως η Γη  "Χωρίς αυτά τα πρώτα άστα, τη "μεγαλύτερη παραγωγή" των άστρων, ο κόσμος μας δεν θα υπήρχε."

Αυτή η έρευνα θα δημοσιευθεί στο προσεχές τεύχος Astrophysical Journal Letters.