Milyenek voltak a világegyetem első csillagai?

0:00 Képzelj el egy csillagot

Képzelj el egy csillagot, amelyik százszor, talán több százszor nagyobb tömegű, mint a Nap. A felszíne nem hatezer, hanem akár százezer fokos, ezért nem sárgásfehéren ragyog, hanem vakító kékesfehéren, és a fénye nagy részét ultraibolyában ontja. Nincs körülötte bolygó, és szinte semmi más sincs, csak sötétség és hidrogéngáz. Néhány millió év múlva pedig, ami csillagászati mércével egy szívdobbanás, eltűnik. A legtöbb modell szerint ilyenek lehettek a világegyetem első csillagai. Ők gyújtották meg a fényt a kozmikus sötétségben, és ők kezdték el gyártani azokat az elemeket, amelyekből később bolygók és élőlények lettek. Csak egy gond van: egyiküket sem látta még senki.

0:43 Ebben a részben megnézzük, mit tudunk mégis róluk, honnan tudjuk, és miért lehet, hogy nem mindegyikük volt óriás. Ez A Föld története, az ötödik rész.

1:06 Honnan jönnek az elemek?

A Föld kőzeteiben, az óceánokban és a testedben rengeteg szén, oxigén, szilícium és vas van. Ezek egyike sem a Nagy Bummban keletkezett. Az első percek után a világegyetem szinte csak hidrogénből és héliumból állt. Minden nehezebb elemet csillagok gyártottak. Valahol, valamikor tehát kellett lennie egy legelső csillagnak.

1:29 A sötét középkor

Az előző részben a világegyetem átlátszóvá vált, és az ősi fény elindult. Ahogy azonban a tér tágult, ez a fény egyre jobban kihűlt, kicsúszott a látható tartományból, és a világegyetem elsötétült. A csillagászok ezt az időszakot sötét középkornak hívják. Nem volt egyetlen csillag sem. Csak gáz, és a sötét anyag láthatatlan hálója, amiről a következő részben lesz majd szó. A sötét anyag csomókba gyűlt, és ezekbe a csomókba lassan beszivárgott a gáz is. A csillagászok ezeket a csomókat mini-halóknak hívják. Egy-egy ilyen csomó nagyjából százezerszer-milliószor akkora tömegű, mint a Nap, és ez kozmikus mércével kicsi.

2:10 Ahhoz viszont, hogy a gázból csillag legyen, a gáznak le kell hűlnie. Ez furcsán hangzik, hiszen egy csillag forró. De gondolj bele: ha egy gázfelhő összehúzódik, felmelegszik, és a meleg gáz nyomása megakadályozza a további összehúzódást. Csak akkor tud tovább zsugorodni, ha a hőt valahogy kisugározza. Ma a gázfelhőket a bennük lévő por és a nehezebb elemekből álló molekulák nagyon hatékonyan hűtik, egészen 10 kelvinig. A kelvin az abszolút nullától mért fok. ugye ezt már megbeszéltük. Az első felhőkben viszont nem volt se por, se szén, se oxigén. Csak egy gyenge hűtőközeg volt: a hidrogénmolekula.

2:47 Hűtőborda ventilátor nélkül

Mintha egy számítógépet ventilátor nélkül, egy apró hűtőbordával kellene csak hűtened. A gáz csak nagyjából 200 kelvinig, vagyis mínusz 70 Celsius-fokig tudott lehűlni. A melegebb gáz pedig makacsabb. Csak sokkal nagyobb tömegű felhőcsomók tudnak összeroskadni a saját súlyuk alatt. Ezért gondolták sokáig a kutatók, hogy az első csillagok kivétel nélkül óriások voltak, száz vagy akár több száz naptömeggel.

3:12 Kozmikus hajnal

A számítógépes szimulációk szerint az első csillagok nagyjából száz-kétszázmillió évvel a kezdet után gyúltak ki. Ezt a pillanatot hívják kozmikus hajnalnak. Az első csillagok és az utánuk következő galaxisok ultraibolya fénye aztán fokozatosan újra szétszedte a gáz hidrogénatomjait, mint egykor a kezdeti forróság. Ezt reionizációnak hívják, és nagyjából egymilliárd évvel a kezdet után zárult le.

3:39 Első, második, harmadik

Az első csillagoknak furcsa nevük van: Harmadik populációs csillagok. Miért éppen hármas, ha ők voltak az elsők? A válasz a második világháborúba vezet. Los Angelesben elsötétítést rendeltek el, és a közeli Mount Wilson obszervatórium német csillagásza, Walter Baade, kihasználta a szokatlanul sötét eget. Elsőként tudta egyedi csillagokra bontani az Androméda-galaxis központi vidékét, és azt vette észre, hogy a csillagok két nagy csoportba sorolhatók. 1944-ben ezeket első és második populációnak nevezte el.

4:13 Minden más „fém”

Később kiderült, hogy a különbség lényege a „fémtartalom”. A csillagászoknak van egy mulatságos szokásuk: minden elemet, ami nehezebb a héliumnál, fémnek hívnak. A szén, az oxigén és a nitrogén is „fém” a csillagászok szótárában. Az első populáció fiatal, fémekben gazdagabb csillagai közé tartozik a Nap is: a tömegének nagyjából 1–2 százaléka ilyen nehezebb elem. A II. populáció idős csillagaiban ennél sokkal kevesebb van.

4:42 Ha pedig minden csillaggeneráció egy kicsit több fémet hagy hátra, akkor kellett lennie egy legelső generációnak, amelyben egyáltalán nem volt fém. Ezt nevezték el később harmadik populációnak. A számozás tehát igazából fordított: sorrend, a legnagyobb szám a legrégebbi.

5:00 Miért nem úgy működtek, mint a Nap?

A Nap a magjában hidrogént olvaszt héliummá. A nála nagyobb tömegű mai csillagok ehhez segédeszközt is használnak: szén-, nitrogén- és oxigénatommagokat, amelyek közvetítőként felgyorsítják a folyamatot, mint a katalizátor egy kémiai reakcióban. Egy harmadik populációs csillagban viszont nincs szén. A gép tehát egy hiányzó alkatrésszel indul. Mit tesz ilyenkor egy nagy tömegű csillag? Összehúzódik, és a magja tovább forrósodik, nagyjából 100 millió fokig, amíg a hélium egy parányi része szénné nem olvad. Ezt a kevés szenet aztán maga használja katalizátornak. Olyan ez, mint egy gyár, amelyik az első napon legyártja magának a hiányzó csavart, és csak utána indul be igazán.

5:39 A sorsuk a tömegüktől függött

A sorsuk a tömegüktől függött. A legtöbb modell szerint a nagyok néhány millió év alatt kiégtek, és szupernóvaként felrobbantak vagy fekete lyukká omlottak. A számítások szerint egy bizonyos tömegtartományban, nagyjából 140 és 260 naptömeg között, a csillag olyan robbanásban pusztulhatott el, ami semmit sem hagy maga után, se neutroncsillagot, se fekete lyukat. A korai fekete lyukakról a hetedik, az első szupernóvákról a kilencedik részben lesz majd szó.

6:09 Csillagrégészet: az unokák

Ha az első csillagok ilyen rég kihunytak, honnan tudhatnánk bármit is róluk? Az egyik módszer a régészeté: nem magát a várost keressük, hanem a romjait. Az első csillagok robbanásai fémekkel szórták tele a környező gázt, és ebből a gázból született a második generáció. Közülük a kis tömegű csillagok rendkívül hosszú életűek, ezért néhányuk ma is ragyog a Tejútrendszer peremén. Az ő légkörük őrzi annak a robbanásnak a vegyi ujjlenyomatát, amiből születtek. A csillag színképéből ki lehet olvasni, melyik elemből mennyi van benne, mint egy hozzávalólistát. 2014-ben ausztrál vezetésű csillagászok leírtak egy csillagot, amelyben a vas mennyisége kevesebb, mint a Napénak tízmilliomod része.

6:53 Az összetétele egyetlen, viszonylag kis energiájú első generációs robbanásra utal.

6:59 A tudomány kijavítja önmagát

És itt jön egy szép példa arra, hogyan javítja ki magát a tudomány. 2023-ban egy kínai vezetésű csapat a Nature folyóiratban arról számolt be, hogy egy másik csillag összetétele egy nagyjából 260 naptömegű első csillag robbanására utal. Ez lett volna az első közvetlen bizonyíték arra, hogy tényleg léteztek ilyen óriások. Egy évvel később azonban egy amerikai csapat új, részletesebb színképet készített ugyanarról a csillagról, és arra jutott, hogy az összetétele egy jóval kisebb, egészen közönséges szupernóvával is megmagyarázható. Ma nem ismerünk olyan csillagot, amely egyértelműen az óriások robbanásának nyomát hordozná.

7:37 Egy beszédes hiány

Van egy másik, legalább ennyire beszédes hiány is. Ha az első csillagok között kis tömegűek is lettek volna, nagyjából a naptömegének négyötödénél kisebbek, azok olyan lassan égnének, hogy akár ma is ragyognának. Évtizedek óta keresik őket. Teljesen fémmentes csillagot eddig egyet sem találtak.

7:58 A rádió, ami hallani vélte a hajnalt

7:59 A második módszer merészebb: közvetlenül a kozmikus hajnal jelét keresni, mégpedig rádióval. A hidrogénatom képes egy nagyon halk rádiójelet kibocsátani vagy elnyelni, 21 centiméteres hullámhosszon. Amikor az első csillagok felragyogtak, a fényük megváltoztatta a környező hidrogén állapotát, és a gáz elnyelt egy keveset a háttérsugárzásból. Ez az elnyelés a tágulás miatt mára sokkal hosszabb hullámhosszra nyúlt, nagyjából a rádiók FM-sávjának közelébe.

8:29 2018-ban az EDGES nevű kísérlet csapata egy nyugat-ausztráliai rádióantennával bejelentette, hogy megtalálta ezt az elnyelést. A jel 78 megahertz körül jelentkezett, ami nagyjából 200 millió évvel a kezdet utáni időre utal. Óriási hír volt, és ami még izgalmasabb: az elnyelés több mint kétszer olyan mély volt, mint amire a modellek számítottak. Hamarosan egzotikus magyarázatok is születtek, például hogy a sötét anyag valahogy hűtötte a közönséges anyagot.

8:59 Honnan tudjuk? A tavon úszó antenna

Egy ekkora állítás független ellenőrzést kíván. Indiai rádiócsillagászok megépítették a SARAS 3 nevű antennát, és két indiai tavon úsztatták. A víz azért jó, mert az antenna alatt sokkal egyenletesebb, jobban kiszámítható a közeg, mint a talaj. 2022-ben közölték az eredményt: a jelet nem találták meg. Az EDGES legjobban illeszkedő jelalakját több mint 95 százalékos biztonsággal elvetették. Ez nem jelenti, hogy az EDGES csapata hanyagul dolgozott. Lehet, hogy a műszer egy apró, nehezen észrevehető sajátossága okozta ezt a jelet. A tanulság az, hogy a tudomány nem egyetlen bejelentésnek hisz, hanem annak, ami több független mérés után is megáll. A kozmikus hajnal rádiójele így továbbra is felfedezésre vár.

9:44 A Webb a nyomukban

9:45 A harmadik út a legközvetlenebb: odanézni. A James Webb űrtávcső 2021 karácsonyán indult, és messzebbre, vagyis régebbre lát vissza, mint előtte bármi. Egyetlen első csillagot még ő sem láthat, mert túl halvány. Egy egész csillagcsoport fényét viszont talán már igen.

10:02 Két jelölt

Két ígéretes jelölt is akad. 2024-ben egy nemzetközi csoport egy nagyon távoli galaxis, a GN-z11 szomszédságában olyan héliumvonalat talált a színképben, amihez rendkívül forró csillagok kellenek, miközben fémeknek alig van nyoma. Ez a fény alig több mint 400 millió évvel a kezdet után indult. 2025-ben pedig egy másik csapat egy gravitációs lencse által felnagyított apró galaxist vizsgált. A gravitációs lencse egy előtérben lévő galaxishalmaz, amelynek gravitációja nagyítóként felerősíti a mögötte lévő halvány fényt. Ebben a LAP1-B nevű galaxisban az oxigén mennyisége a Napénak csak néhány ezredrésze. Ez az egyik vegyileg legérintetlenebb csillagkeletkezési hely, amit valaha találtak.

10:52 Mindkettő izgalmas, és mindkettő jelölt. A fénynek lehetnek más magyarázatai is, például egy növekvő fekete lyuk. A tisztességes összefoglalás tehát ez: a Webb közelebb vitt minket hozzájuk, mint valaha, de a harmadik populációs csillagok létezése ma is elméleti következtetés, nem közvetlen megfigyelés.

11:12 Tényleg óriások voltak?

És tényleg mind óriások voltak a kezdet csillagai? A régebbi modellek szerint az első csillagok szinte mind óriások voltak. Az újabb, részletesebb szimulációk szerint viszont a gázfelhők gyakran több darabra estek szét, így az első csillagok kis csoportokban születhettek, sokféle tömeggel. Óriások valószínűleg tényleg voltak köztük, de nem csak óriások. Hogy pontosan milyen volt a keverék, az ma is vita tárgya.

11:37 Mit tudunk?

Mit tudunk tehát? Biztosan tudjuk, hogy a világegyetem hidrogénnel és héliummal indult, és minden nehezebb elemet csillagok gyártottak. Tudjuk, hogy kellett lennie egy első, fémmentes generációnak. Valószínű, hogy ezek a csillagok átlagosan nagyobbak és forróbbak voltak a maiaknál. De egyiket sem láttuk még közvetlenül, a tömegük vitatott, és a kozmikus hajnal rádiójele egyelőre felfedezésre vár. A Föld története mégis velük kezdődik. Ők gyártották az első szenet és oxigént, és ők kezdték el teleszórni a világegyetemet azokkal az elemekkel, amelyekből később kőzetbolygók állhattak össze. Rövid életű óriások voltak, vagy legalábbis egy részük. Soha nem láttuk őket, de lehet, hogy egy-egy általuk kovácsolt atom éppen most a testedben van.

12:25 A következő részben

Ebben a részben többször felbukkant egy szereplő, akit még be sem mutattunk. A láthatatlan háló, amelynek csomóiba a gáz beszivárgott, és ahol az első csillagok megszülettek. Nem bocsát ki fényt, nem nyel el fényt, mégis a gravitációja tartja egyben a galaxisokat. A háttérsugárzás szerint nagyjából ötször annyi van belőle, mint a rendes anyagból. Mi ez? Honnan tudjuk, hogy létezik, ha soha senki nem látta? A következő részben a világegyetem legnagyobb láthatatlan szereplőjét keressük. A láthatatlan 85%.