Í fimm daga beindi stærsti geimsjónauki heims, James Webb, sjónum sínum að agnarlitlu svæði í himinhvelfingunni. Árangurinn af þessu starfi er mynd af þúsundum stjörnuþoka. Margar þeirra eru þyrilþokur sem líkjast okkar þoku, Vetrarbrautinni en stjarnfræðingarnir hafa ekki sérlega mikinn áhuga á þeim.
Þess í stað beina þeir sjónum sínum að litlum rauðum bletti. Sá nefnist JADES-GS-z14-0 og er fjarlægasta stjörnuþoka sem nokkru sinni hefur fundist. Það felur í sér að ljós hennar hefur nú borist til okkar frá bernsku alheims, fyrr en við höfum nokkurn tímann getað greint.
En það er ekki einu sinni þetta sem stjarnfræðingarnir eru hvað hrifnastir af. Það hefur nefnilega komið þeim verulega á óvart hversu öflugt skin stjörnuþokunnar er.
Stjarnfræðingarnir trúðu í fyrstu ekki eigin augum, því slíkur ljósstyrkur ætti ekki að vera mögulegur. Hann stríðir gegn flestum kenningum manna um fæðingu alheims og því eru nú sérfræðingarnir að leita eftir frekari skýringum. Og þeir hafa nú þegar fundið athyglisverða kosti sem geta umturnað skilningi okkar á fæðingu alheims og heimsfræðinni.
Stjörnuþokur urðu til í dagrenningu
Allra fyrstu stjörnuþokurnar fæddust á tímabili sem stjarnfræðingar kalla kosmíska dagrenningu – 380.000 árum eftir Miklahvell.
Fyrstu vetnis- og helínatómin söfnuðust saman í gríðarmikil gasský og endrum og sinnum féll hluti gasskýjanna saman undan eigin massa. Smám saman urðu þannig fyrstu stjörnurnar til og agnarsmáar stjörnuþokur. Þessar nýfæddu stjörnuþokur gátu nú vaxið með því að toga til sín meira gas frá umhverfinu og mynda fleiri stjörnur eða með því að renna saman við aðrar litlar stjörnuþokur. Ferli þetta tók samkvæmt kenningunni sinn tíma. Sem dæmi ætti að hafa liðið um einn milljarður ára áður en stjörnuþokur urðu jafn stórar og Vetrarbrautin okkar.
Stjarnfræðingar reiknuðu því með að þeir myndu geta greint afar litlar stjörnuþokur með því að greina ljósið frá þessum unga alheimi.
Þetta geta þeir nú gert vegna tilkomu James Webb geimsjónaukans sem er sérstaklega hannaður til að fanga ljós sem hefur verið óralengi á leiðinni og er því upprunnið í bernsku alheims.
En það var ekki það sem blasti við vísindamönnunum þegar þeir greindu myndir af stjörnuþokunni JADES-GS-z14-0 vorið 2024.
Spegillinn á James Webb geimsjónaukanum er samsettur úr sexköntuðum skífum húðuðum gulli sem gerir þeim kleift að fanga ljós frá því úr bernsku alheims.
Ljósið frá stjörnuþokunni hefur verið á leiðinni í 13,5 milljarða ára eða frá þeim tíma þegar alheimur var einungis 290 milljón ára gamall og því mátti vænta að þar væri að finna litlar daufar stjörnuþokur. En ljósið sem sást á myndinni líktist fremur ljósi frá fullvaxinni langtum eldri stjörnuþoku.
Stjarnfræðingar hafa með hliðsjón af þessum ljósstyrk stjörnuþokunnar reiknað út að JADES-GS-z14-0 hlýtur að hýsa eitthvað um hálfan milljarð stjarna og ná yfir 1.700 ljósár.
Ljós ferðast í milljarða ára
Ljósið frá stjörnuþoku verður veikara á óralangri leið sinni til okkar þannig að það er munur á mældum og raunverulegum ljósstyrk þess. Stjarnfræðingar reikna út raunverulegan ljósstyrk stjörnuþoka í ljósi tveggja þátta. Hversu mikil fjarlægðin er og hvað mikið ljós berst til okkar. Þessa tvo þætti getur James Webb-sjónaukinn mælt. Ljósstyrkurinn minnkar með fjarlægðinni í öðru veldi. Þannig geta vísindamenn reiknað út raunverulegan ljósstyrk stjörnuþoku. En þeir þurfa að leiðrétta fyrir útþenslu alheims. Ljósið frá fyrstu stjörnuþokunum hefur verið 13,5 milljarða ára á leiðinni en í dag eru þær samt í næstum 34 milljarða ljósára fjarlægð frá okkur.
Ferð að iðrum jarðar myndi útheimta að farið yrði gegnum mörg sjóðandi heit jarðlög.
Til samanburðar hýsir Vetrarbrautin fleiri hundruði milljarða stjarna og nær yfir 100.000 ljósár. En JADES-GS-z14-0 náði stærð sinni á innan við 300 milljón árum – Vetrarbrautin hefur haft 13,8 milljarða ára til að vaxa í sína stærð sem er næstum 50 sinnum lengri tími.
Viðteknar kenningar um fæðingar stjörnuþoka er því ekki hægt að nota til að útskýra ljósið frá JADES-GS-z14-0.
Stjarnfræðingar hafa síðan fundið fleiri stjörnuþokur sem virðast furðulega stórar – frá þeim tíma sem alheimur var aðeins milli 500 og 700 milljón ára gamall.
Fjarlæga vetrarbrautin JADES-GS-z14-0 fannst á mynd frá Webb sjónaukanum.
Núna vinna stjarnfræðingar því hörðum höndum að því að finna mögulegar útskýringar og ein af þeim felur í sér milljónir af sprengistjörnum.
Fæðast stjörnur í hrinum?
Ein mikilvægasta spurning stjarnfræðinga er hvort þessar furðulegu myndir af ljóssterkum stjörnuþokum krefjist nýrrar grundvallarkenningar yfir þróun alheims í bernsku eða hvort ljósið frá stjörnuþokunum geti verið einhvers konar form af sjónhverfingu.
Sumir sérfræðingar hafa m.a. rætt hvort þeir hafi gabbast af svartholum. Þegar mikið magn af gasi fellur niður í svarthol verður það nefnilega svo heitt að það byrjar að lýsa með afar öflugum hætti. Þannig gæti lítil stjörnuþoka með stórt svarthol í miðju sinni lýst jafn mikið og stór stjörnuþoka með milljónum stjarna.
Það vekur furðu að alheimur geti skapað slíkar stjörnuþokur á einungis 300 milljón árum.
Stefano Carniani Stjarneðlisfræðingur
En í slíku tilviki ætti mestur hluti ljóssins að koma frá miðju stjörnuþokunnar þar sem svartholið leynist. Ljósið frá JADES-GS-z14-0 og öðrum öflugum fornum stjörnuþokum lýsir jafnt yfir dreifingu þeirra þannig að stjarnfræðingar þurfa nú að leita eftir nýrri kenningu um myndun stjarna.
Ein slík segir að í bernsku alheims hafi myndast fleiri stórar þungar stjörnur en gerist nú á dögum. Ef sú er raunin lýsa þessar fyrstu stjörnuþokur með jafn miklum krafti og raun ber vitni, þar sem stjörnur þeirra eru að meðaltali stærri og bjartari en t.d. gerist í Vetrarbrautinni – ekki af því að þar sé fleiri stjörnur að finna en vænta má.
Stjarnfræðingar gæla einnig við þá kenningu að fyrstu stjörnuþokurnar hafi ekki myndað stjörnur í rólegu og hægu tempói eins og t.d. Vetrarbrautin gerir, heldur að stjörnurnar hafi myndast í heljarinnar sprengibylgjum sem milljónir sprengistjarna hafi orsakað.
Ef þetta er rétt eru þessar athyglisverðu stjörnuþokur á myndunum frá Webb-geimsjónaukanum kannski einmitt frá þeim tíma þegar einn slíkur bylgjutoppur myndaðist.
Sprengistjörnur gætu útskýrt öflugt skin stjörnuþokanna
Vísindamenn telja að stjörnuþokur í bernsku alheims hafi kannski getað myndað stjörnur í sprengjubylgjum. Þannig gátu þessar litlu ungu stjörnuþokur lýst jafn öflugt og raun ber vitni þannig að á myndum líkist þær mun stærri stjörnuþokum eins og Vetrarbrautinni.
1. Gasský verður að stjörnu
Í hinum unga alheimi falla gasský saman og fyrstu stjörnurnar myndast. Eftir nokkur milljón ár springa stærstu stjörnurnar sem sprengistjörnur sem verður til þess að aðrir hlutar í gasskýinu hrynja saman og mynda fleiri stjörnur í frumstæðri stjörnuþoku.
2. Sprengistjörnur þeyta gasinu út
Nú springur önnur kynslóð af stjörnum. Þrýstingurinn frá þeirri sprengingu þeytir miklu af gasi út úr stjörnuþokunni. Það bremsar hins vegar myndun stjarna því það er ekki nægjanlegt gas til staðar til að mynda nýjar stjörnur.
3. Stjörnuskinið magnast
Þyngdarafl stjörnuþokunnar dregur gasið inn á við á ný. Skyndilega er magn gassins nægjanlega mikið til þess að á skömmum tíma myndast fjölmargar stjörnur. Á nokkrum milljónum ára lýsir stjörnuþokan því afar mikið og Webb-geimsjónaukinn fangar þetta ljós.
4. Stjörnuþokan róast
Eftir um einn milljarð ára hefur stjörnuþokan vaxið svo mikið og er því með svo öflugan þyngdarkraft að sprengistjörnur eru ekki lengur færar um að þeyta gasi út úr þokunni. Stjörnuþokan róast og myndar stjörnur á mun lengri tíma.
En með núverandi gögnum er ómögulegt að segja hvor kenninganna er trúverðugri.
Stjarnfræðingar eru enn sem áður að skipuleggja nýjar athuganir með Webb-sjónaukanum. Nú skal honum beint að þessum dularfullu stjörnuþokum í lengri tíma til þess að við getum öðlast meiri upplýsingar um þær.
Ég hef lært að himininn sé blár af því að hann speglast í yfirborði hafsins. En hvers vegna verður hann rauðleitur við sólsetur?
Við getum vissulega vænst fleiri byltingarkenndra gagna frá Webb sjónaukanum – gagna sem vafalítið munu kæta stjarnfræðinga.
Kannski kemur jafnvel í ljós að hér séu ekki aðeins fyrstu stjörnur í stjörnuþokum sem haga sér öðruvísi en vænta mátti. Kannski eru það sjálf heimsfræðin, grundvallarkenningin fyrir þróun alheims og innihald sem þarfnast endurskoðunar með.
Sú gæti t.d. verið raunin að eðlisfræðingar þurfi að endurhugsa hvernig hið dularfulla hulduefni verkaði á fyrstu stjörnuþokurnar með þyngdarkrafti sínum.
Óháð því hvaða kenningar reynast vera réttar vitum við núna að alheimur hafði mun óreglubundnari bernsku heldur en við ætluðum.
