První hvězdy se vůbec nepodobaly těm současným, relativně chladným a dlouho existujícím hvězdám v dnešním vesmíru. V době, kdy vznikly – tedy před více než 13 a půl miliardami let – se téměř veškerá viditelná hmota vesmíru skládala z vodíku a trochy helia.
Po zažehnutí jaderné fúze spotřebovávaly první hvězdy kvůli absenci těžkých prvků rychle svoje zásoby vodíku. V určité fázi existence dosahovaly až stonásobek hmotnosti Slunce, ale přežívaly jenom několik milionů let – na rozdíl od naší domovské hvězdy, jejíž stáří je 4,6 miliardy let a zhruba stejnou dobu bude ještě existovat – následně vybuchovaly jako supernovy.
Tyto rané hvězdy však astronomové zatím nespatřili. Vznikly na konci období zvaného temný věk vesmíru, kdy byl vesmír zahlcen neprůhledným závojem vodíkového plynu. Světlo těchto hvězd není dost jasné a zatím je neumí jednotlivě zachytit ani ty nejvýkonnější teleskopy. Ke studiu nitra obřích objektů proto vědci používají superpočítačové simulace, jako je tento nedávný pohled na prvotní mračno tvořící hvězdy z raného vesmíru.
„Pro nás je krásné, že vlastně známe fyzikální zákonitosti a rovnice toho, jak se chová hmota a jak funguje gravitace,“ říká Tom Abel, počítačový astrofyzik ze Stanfordova Kavliho institutu pro částicovou astrofyziku a kosmologii (KIPAC), který simulaci vytvořil spolu s vývojářem softwaru Ralfem Kaehlerem, rovněž z KIPAC. „Dává vám to rámec, v němž můžete přemýšlet o tom, jak se jedna věc mohla změnit v druhou.“
Tento proces přeměny, při němž hvězdy slučovaly lehčí prvky na těžší kovy, byl základním mechanismem vývoje vesmíru. Všechny prvky těžší než helium jsou v astronomii považovány za „kov“. Takové nové prvky se ve vesmíru poprvé objevily, až když nejstarší hvězdy vybuchly ve stádiu supernov a svůj obsah rozptýlily do vesmíru.
Hvězda probouzející se k životu
Webbův vesmírný teleskop sice nemůže vidět úplně první hvězdy, ale zachytil úžasné pohledy na vznik hvězd blíže k Zemi. Hvězda, která se právě probouzí k životu, vyfukuje materiál do tvaru přesýpacích hodin. Z protohvězdy, která se nachází asi 460 světelných let od hvězdy, lze pozorovat bublinovité vrstvy plynu a prachu, které se valí ven. Oranžové oblasti jsou zbarveny prachem, modré mají slabší zastínění.
V určitém okamžiku se shluky hvězd stočily do víru a vznikly první galaxie, včetně prvních struktur Mléčné dráhy. Hromadily se „kovy“ a z nich vznikaly nové generace hvězd. Mnohé z nich se vyvíjely jako menší, chladnější a déle trvající. Kolem některých z těchto hvězd se zbytky prachu – materiálu vzniklého při výbuších supernov – shlukly do prvních planet.
Vrstvy vesmírného mračna
Inspirací pro simulace jsou také obrázky z vesmírného teleskopu Jamese Webba. Ten začal hned krátce po svém nasazení rychle objevovat starší galaxie, než jaké byly dosud spatřeny. Z jeho snímků vychází i Abel. Dlouhé měsíce spouští nové simulace raného vesmíru, jejichž rozlišení je téměř tisíckrát větší, než když před více než dvaceti lety začal pracovat na kosmologických počítačových modelech.
Díky tomu můžu experimentovat, říká Abel. „Když to trochu změním, víte, co se pak stane? A tak si můžete vytvořit představu o tom, jak vesmír funguje a jak do sebe jednotlivé části zapadají.“
Webbův teleskop pronikl do mraků mlhoviny Tarantule a zachytil tisíce mladých hvězd, včetně dosud nikdy neviděných hvězd zahalených kosmickým prachem ve vzdálenosti asi 170 000 světelných let.
Ke vznícení prvních hvězd se musel plyn nahromadit v dostatečně hustých kapsách, v nichž se atomy vodíku začaly vzájemně slučovat na helium a uvolňovat při tom teplo a energii, což bylo možné díky gravitačním silám neviditelné ruky – temné hmoty. Než se první hvězdy rozhořely, shlukovala se neviditelná hmota, která tvoří podle astronomů asi 85 procent veškeré hmoty ve vesmíru, do struktur, jimž se říká „halo temné hmoty“.
Halo temné hmoty je vlastně obrovská koule, složená z prstenců temné hmoty obklopujících světlo, jež tvoří jakési lešení vesmíru. Uvnitř se nacházejí mračné kapsy plynu, který se stlačoval tak dlouho, dokud se nezažehl oheň, jímž skončil temný věk vesmíru.
Jedním z přínosů simulace prvních hvězd je podle Abela pochopení toho, jak základní fyzikální chování vodíku, nejmenšího a nejlehčího prvku, určovalo vznik obřích hvězd, které proměnily vesmír.
Během temného věku vesmíru měla většina těchto atomů formu neutrálního vodíku – tedy jednotlivých atomů volně poletujících vesmírem. Ve střediscích velkých hal temné hmoty, kde se nahromadilo velké množství neutrálního vodíku, se zvýšila teplota a jednotlivé atomy se někdy srážely a shlukovaly, přičemž vznikaly dvouatomové molekuly vodíku.
Na tomto snímku komplexu mraku Rho Ophiuchi, oblasti formování hvězd nejblíže k Zemi, z Webbova teleskopu vyrážejí z kokonů plynu a prachu nově zrozené hvězdy. Oblast obsahuje asi 50 mladých hvězd, z nichž mnohé mají hmotnost podobnou hmotnosti Slunce. Větší hvězda v dolní polovině snímku vyvrhuje v hustých oblacích jeskyni.
Ze standfordské simulace vyplývá, že změny se začaly dít právě v tomto okamžiku: vznikl gigantický oblak o průměru asi tisíc světelných let, v němž se nahromadily molekuly vodíku. Vnější vrstvy tohoto mraku se začaly ochlazovat, protože nově vzniklé molekuly vodíku občas uvolňují fotony světla, které odvádějí energii a teplo. S klesající teplotou se gravitací přitahovaný plyn zpomaluje a materiál za ním se hromadí a vysílá do mraku rázové vlny.
Hvězdy netrvají věčně. Webbův teleskop zachytil známou Prstencovou mlhovinu, hvězdu na sklonku svého života, v nebývalých detailech. Vznikla tak, že hvězda odhodila své vnější vrstvy, když jí došlo palivo, a nachází se relativně blízko Země, ve vzdálenosti zhruba 2 500 světelných let.
Hlouběji v oblaku se zahřívají nebo ochlazují další vrstvy, což způsobuje více turbulentních srážek. Procesy ochlazování také snižují tlak plynu, který se tlačí ven a přitom na něj působí gravitace. Neúprosně, kousek po kousku, se tento mrak hroutí stále více dovnitř.
„V podstatě dojde k tomu, že se vytvoří objekt o hmotnosti asi 10 Jupiterů, který bude velmi rychle nabírat hmotu,“ říká Abel.
Vědci přesně nevědí, jak velké byly tyto první hvězdy, když se plyn dále hromadil, ale mohly narůst až na stonásobek hmotnosti Slunce.
Energetická transformace vesmíru
Intenzivní energie uvolněná prvními hvězdami nejenže rozptýlila kovy v supernovách, ale také rozzářila vesmír ultrafialovým světlem. Toto záření zbavilo neutrální atomy vodíku elektronů a zprůhlednilo plyn, což bylo klíčové období kosmické historie známé jako reionizace.
Hvězdy netrvají věčně. Webbův teleskop v nebývalých detailech pozoroval známou Prstencovou mlhovinu, hvězdu na konci svého života. Vznikla tak, že hvězda „odhodila“ své vnější vrstvy, když jí došlo palivo, a nachází se relativně blízko Země, ve vzdálenosti zhruba 2 500 světelných let.
Ačkoli možná nikdy nenajdeme úplně první hvězdu, která zazářila v propasti, naše schopnost simulovat vesmír poskytuje stále jasnější představu o tom, jak toto klíčové období muselo vypadat. Takové simulace by také mohly odhalit část budoucnosti vesmíru.
„Simulace umožňují studium úplného počátku, který jsme ještě neviděli,“ říká Abel, „stejně jako úplně poslední věc, kterou bychom mohli kdy vidět.“
Sledujte nás v Google Zprávách