Þar til nýlega töldu stjörnufræðingar að hinar myrku frumaldir alheims hefðu staðið í minnst 500 milljón ár.
En árið 2003 sýndu mælingar frá geimkönnum að það kviknaði á fyrstu stjörnunum 200 milljón árum eftir Miklahvell. Og nú hefur geimsjónaukinn Spitzer að líkindum greint eftirglóðina af því ljósi sem frumstjörnurnar sendu frá sér á stuttri og tilþrifamikilli ævi.
Frumburar alheimsins voru nefnilega risar með mörg hundruð sólmassa og yfirborðshitastig hærra en 100.000 gráður.
Þeir urðu að gjalda fyrir það með stuttri ævi áður en þeir sprungu í stórkostlegum hamförum. Sumar féllu saman og mynduðu svarthol, meðan hluti efnis þeirra þeyttist út í geiminn.
En þrátt fyrir að þessir jötnar hafi átt stutt líf – stjarnfræðilega séð – mynduðu þeir grunninn að síðari kynslóðum stjarna og pláneta.
Við fæðingu samanstóðu þeir ætíð af helíum og vetni, sem varð til við Miklahvell. En með samruna í iðrum sér urðu þyngri frumefni til eins og ildi, járn og kolefni.
Þessi efni urðu síðar byggingarefni sólkerfis okkar og þannig einnig okkar mannanna. Því má segja að við séum búin til úr efni frá árdögum alheims. Jafnframt skildu stjörnurnar eftir sig svarthol sem runnu saman og mynduðu ofursvarthol í miðju stjörnuþokanna.
Staðbundið ljós síað burt
Uppgötvun ljóss frá frumstjörnunum má fyrst og fremst þakka nýja Spitzer – geimsjónaukanum sem hóf sig á loft árið 2003. Spitzer kannar einkum innrauða ljóssviðið. Á þeim 13,7 milljörðum árum sem ljósið hefur farið um geiminn, hefur bylgjulengd þess lengst þar sem heimurinn hefur þanist út, og því finnst geislunin einmitt á innrauða sviðinu.
Vandamálið er að nemar sjónaukans fanga einnig innrautt ljós sem verður til í Vetrarbrautinni – stjörnuþoku okkar – og í öllum öðrum stjörnuþokum sem er að finna milli jarðar og upprunalegra stjarna.
Það fólst því mikil áskorun fyrir NASA að staðsetja ljós frá upprunalegu stjörnunum. Allt innrautt ljós frá nálægustu og nýrri ljósgjöfum þurfti að sía burt.
Vegna mikillar þróunar í tæknibúnaði hefur NASA trúlega nú tekist þetta verkefni. M.a. hefur verið staðfest að athugað ljósmynstur er eins í fjórum mismunandi bylgjulengdum, rétt eins og það er hið sama á mismunandi svæðum himinsins.
Það stríðir gegn því að ljósið sé komið frá Vetrarbrautinni. Jafnframt eru mælingarnar eins í tveimur rannsóknum sem gerðar voru með hálfs árs millibili, þegar jörðin var á ysta punkti á braut sinni um sólu.
Það útilokar að ljósmynstrið stafi frá ryki í sólkerfinu. Loks hefur Alexander Kashlinsky, sem leiðir hóp frá NASA, prófað margar aðrar aðferðir til að fjarlægja innrauða geislun frá nærliggjandi stjörnuþokum. Og óháð aðferðum fást ætíð sömu niðurstöður. Því bendir allt til þess að hér sé á ferðinni hið fyrst ljós.
Auk þess benda greiningar á innrauða ljósinu til að upprunalegu stjörnurnar lýstu nánast samtímis á stuttu tímabili.
Það passar ágætlega við fræðilega útreikninga sem kveða á um að fyrsta kynslóð stjarna hafi aðeins lifað í fáar milljónir ára. Til samanburðar lifir algeng stjarna eins og sólin í meira en 10 milljarði ára.
Feiknarleg gasský fæddu stjörnur
Athuganirnar veita einnig svar við því hvernig fyrstu stjörnurnar urðu til.
Greiningar á bakgrunnsgeisluninni sýna að hinn nýfæddi alheimur innihélt svæði með meiri massa en önnur í geimnum.
Er fram liðu stundir söfnuðust saman stærri klumpar og mynduðu þráðlaga netverk. Á snertipunktum þeirra komu fram frumstjörnuþokur 100 – 250 milljón árum eftir Miklahvell. Í þeim var að finna massa á við hundruð þúsundir sólir í formi gass. Hið sama á við um þau gasský sem geta af sér stjörnur í þroskuðum stjörnuþokum eins og Vetrarbrautinni. En tvennt var þó frábrugðið í árdaga.
Í fyrsta lagi samanstóðu frumþokurnar aðallega af óþekktu hulduefni, og bæði hulduefnið sem og annað efni var jafndreift í öllum geimnum.
Í stjörnuþokum nútímans eru stjörnur og annað efni samankomið í skífu um miðju þokunnar, en hulduefni dreift í ljósbaugnum sem umlykur stjörnuþokuna.
Í öðru lagi voru frumþokurnar nær eingöngu úr vetni og helíum.
Með tímanum lentu sum vetnisatómin á vetnissameindum og við áreksturinn losnaði geislun og hiti. Kælingin dró gasskýin saman og þegar nægri kælingu er náð falla skýin saman og mynda stjörnur.
Þegar stjarna myndast í dag innihalda gasskýin ekki aðeins vetni og helíum, sem urðu til í frumstjörnunum.
Þyngri frumefni eru betri en léttari við að losa hita úr skýjunum og því kólna skýin niður í allt að -263 gráður. Því kaldari sem þau eru, þess meir dragast skýin saman, sem aftur auðveldar þyngdaraflinu að mynda stjörnu. Á þennan máta verða til venjulegar stjörnur eins og sólin – sem er dvergur í samanburði við fyrstu kynslóð stjarna.
Í frumstjörnuþokunum kólnuðu skýin aðeins niður í milli mínus 70 og plús 30 gráður. Því þurftu skýin að vera firnastór til að hafa nægan massa svo stjarna gæti fæðst. Það er ástæðan fyrir hve risastórar fyrstu stjörnurnar voru.
Óstöðugir risar
Reikningar á líkönum benda til að slíkir risar hafi verið á við 100 – 1.000 sólir. Stjarna af slíkri stærð getur aðeins lifað í nokkrar milljónir ára. Eftir því sem fleiri og þyngri frumefni myndast með samruna breytist hlutfall þyngdar og brennsluefnis, og hitastig í kjarna stjörnunnar getur farið í milljón gráður.
Hitinn myndar gammageislun og þar kemur að hún verður svo orkumikil að hún umbreytist í efni – ljóseindir verða rafeindir og róteindir.
Við þetta verða risarnir óstöðugir því geislunarþrýstingur úr iðrum hans vinnur gegn verkun þyngdaraflsins.
Umbreytingin á geislun í efni í kjarnanum minnkar geislunarþrýstinginn og við það dregst kjarninn hratt saman. Við það myndast svo feiknarlegur hiti að kolefni, ildi og neón taka að renna saman og mynda þyngri frumefni, og að lokum hrynur kjarninn í stórfenglegri sprengingu, sem þeytir þungum frumefnum út í geim.
Samkvæmt kenningunni gjöreyðast stjörnur með 100 – 250 sólmassa algerlega og allt efni þeirra feykist burt. Það hefur verið sláandi flugeldasýning því um mánaðar skeið hefur deyjandi risastjarnan skinið á við hundruð venjulegar stjörnuþokur.
Fyrir stjörnur með yfir 300 sólmassa er dauðastríðið enn ótrúlegra.
Hér er þrýstingurinn frá massa stjörnunnar svo mikill að kjarninn pressast saman í svarthol með um 30 sólmassa. Vegna snúnings stjörnunnar myndast skífa af gasi í kringum svartholið. Tölvuútreikningar benda til að svartholið sjúgi til sín efni í upphafi af svo stórkostlegri græðgi að deyandi stjarnan gefi frá sér í stutta stund meira ljós en er að finna í öllum stjörnuþokum nútímans.
Þegar tími risastjarnanna var yfirstaðinn dró þyngdaraflið sífellt fleiri frumþokur saman, og með árekstrum urðu til fyrstu stjörnuþokurnar milljarði ára eftir Miklahvell – alheimur tók að líkjast þeim sem við þekkjum í dag.
Vegna Spitzers hefur reynst mögulegt að kíkja svo langt aftur í tímann. Þetta má teljast mikill vísindalegur sigur. Árið 2013 mun NASA senda út í geim arftaka Hubble. Meðan Hubble hafði spegil með 2,5 m þvermál, mun spegill James Webb – sjónaukans hafa 6,5 m þvermál. Þá munum við vonandi fá að sjá hvernig fyrstu risastjörnurnar litu út.
