Τα πρωταρχικά άστρα του Σύμπαντος γεννήθηκαν τόσο πίσω στον χρόνο και η διάρκεια της ζωής τους είναι τόσο φευγαλέα μικρή, που μέχρι σήμερα δεν έχουμε κατορθώσει να τα ανιχνεύσουμε. Χρησιμοποιώντας, ωστόσο, το νέο διαστημικό τηλεσκόπιο Nancy Grace Roman της NASA, που θα εκτοξευθεί το 2027, οι αστρονόμοι ελπίζουν να εντοπίσουν δεκάδες από αυτά, καθώς καταστρέφονται από τις παλιρροϊκές δυνάμεις που ασκούν πάνω τους μαύρες τρύπες «μεσαίων βαρών», οι οποίες σχηματίστηκαν την αρχέγονη εκείνη εποχή μέσα από την απευθείας κατάρρευση αέριων νεφών. 

Τα πρώτα άστρα που έλαμψαν ποτέ στο Σύμπαν ήταν πολύ διαφορετικά από τα άστρα που βλέπουμε γύρω μας. Γνωστά στους αστρονόμους ως άστρα του Πληθυσμού III, είχαν πολύ μεγαλύτερη μάζα, θερμοκρασία και φωτεινότητα από τον Ήλιο και αποτελούνταν σχεδόν εξ ολοκλήρου από αρχέγονο υδρογόνο και ήλιο, που συντήχθηκαν λίγα μόνο λεπτά μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, στην διάρκεια της αρχέγονης πυρηνοσύνθεσης. Εξαιτίας, μάλιστα, της τεράστιας μάζας τους, τα άστρα αυτά κατανάλωναν με ραγδαία ταχύτητα τα πυρηνικά τους «καύσιμα», γι’ αυτό και δεν ζούσαν περισσότερο από ελάχιστα μόνο εκατομμύρια χρόνια, όταν το προσδόκιμο της ζωής του Ήλιου υπερβαίνει τα 10 δισ. χρόνια. 

Κατά κύριο λόγο, τα άστρα του Πληθυσμού III γεννήθηκαν, έζησαν και έσβησαν μέσα σε λίγες μόνο εκατοντάδες εκατ. χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, ενώ ήταν καθοριστικά για τη μετέπειτα εξέλιξη του Σύμπαντος. Καταρχάς, στο εσωτερικό των άστρων αυτών συντήχθηκαν οι πρώτοι πυρήνες στοιχείων βαρύτερων από το ήλιο (οι αστρονόμοι χαρακτηρίζουν κάθε στοιχείο βαρύτερο από το ήλιο ως «μέταλλο»).  Έτσι, λοιπόν, η επόμενη γενιά των άστρων, δηλαδή τα άστρα του Πληθυσμού II, εμπεριείχαν μικρές ποσότητες «μετάλλων», καθώς δημιουργήθηκαν μέσα σε γιγάντια μοριακά νέφη αερίων, τα οποία είχαν ήδη εμπλουτιστεί με τα πρώτα «μέταλλα» που απελευθέρωσαν τα άστρα του Πληθυσμού III με το θάνατό τους. Με τον ίδιο τρόπο, τα άστρα του Πληθυσμού II εμπλούτισαν με το δικό τους θάνατο τον μεσοαστρικό χώρο με επιπλέον ποσότητες βαρύτερων στοιχείων, έτσι ώστε η τρίτη και τελευταία γενιά των άστρων του Σύμπαντος, δηλαδή τα άστρα του Πληθυσμού I στα οποία περιλαμβάνεται και ο Ήλιος μας, έχουν συγκριτικά τη μεγαλύτερη συγκέντρωση «μετάλλων» από κάθε άλλο άστρο. 

Χωρίς τα βαρύτερα αυτά «μέταλλα», οι αναρίθμητοι πλανήτες του Σύμπαντος δεν θα μπορούσαν να σχηματιστούν. Εξίσου σημαντικό για την μετέπειτα εξέλιξη του Σύμπαντος είναι και το γεγονός ότι τα άστρα αυτά έδωσαν με την υπεριώδη τους ακτινοβολία το έναυσμα για τον επαναϊονισμό της μεσογαλαξιακής ύλης, σηματοδοτώντας την αρχή του τέλους για την εποχή του Κοσμικού Μεσαίωνα. 

Ο μοναδικός τρόπος να μάθουμε περισσότερα για τα αρχέγονα αυτά άστρα είναι να «δούμε» πίσω στο πρώιμο Σύμπαν. Το νέο διαστημικό τηλεσκόπιο Nancy Grace Roman της NASA θα παρέχει ένα πανοραμικό οπτικό πεδίο 200 φορές μεγαλύτερο σε σχέση με την υπέρυθρη θέαση του ουρανού από το Hubble, και θα «σκανάρει» τον ουρανό 1.000 φορές ταχύτερα. Γι’ αυτό και με την εκτόξευσή του τον Μάιο του 2027, μπορεί να αποτελέσει βασικό εργαλείο στην προσπάθειά μας να τα ανιχνεύσουμε. 

Πρόσφατα, μάλιστα, ομάδα αστρονόμων, με επικεφαλής τον Rudrani Kar Chowdhury, μεταδιδακτορικό ερευνητή στο Πανεπιστήμιο του Χονγκ Κονγκ, πρότεινε έναν νέο τρόπο για την ανίχνευσή τους, σύμφωνα με τον οποίο, αντί να αναζητηθούν «άθικτα» άστρα του Πληθυσμού III, μπορούν να εντοπιστούν έμμεσες ενδείξεις για την ύπαρξή τους, αναζητώντας τα «ίχνη» του διαμελισμού τους από μαύρες τρύπες. Το «ίχνος» αυτό είναι ένα φωτεινό και ενεργητικό φαινόμενο, που ονομάζεται Γεγονός Παλιρροϊκής Διάσπασης (Tidal Disruption Event, TDE). 

Ένα TDE παρατηρείται όταν ένα άστρο πλησιάζει μια μαύρη τρύπα σε τόσο μικρή απόσταση, ώστε οι παλιρροϊκές της δυνάμεις υπερισχύουν της ίδιας της βαρύτητας του άστρου και κυριολεκτικά το διαμελίζουν. Καθώς το άστρο καταστρέφεται, τα μισά περίπου από τα συντρίμμια του εκτινάσσονται στο Διάστημα, ενώ τα υπόλοιπα «φυλακίζονται» από την βαρύτητα της μαύρης τρύπας σε ένα δίσκο υπέρθερμων υλικών που στροβιλίζεται γύρω της, όπου πολύπλοκες φυσικές διεργασίες τα κάνει να ακτινοβολούν τόσο έντονα, ώστε η λάμψη τους να είναι ορατή από δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά.    

Τα TDE παράγουν ακτινοβολία σε πολλά μήκη κύματος, περιλαμβανομένων των ακτίνων Χ, των ραδιοκυμάτων, της υπεριώδους και της ορατής ακτινοβολίας. Όσο βαθύτερα κοιτάζουμε στο πρώιμο Σύμπαν, όπου βρίσκονται τα πρώιμα αυτά άστρα, τόσο περισσότερο η ορατή και υπεριώδης ακτινοβολία ενός TDE μετατοπίζεται προς το ερυθρό, καθώς «ξεχειλώνει» από την διαστολή του Σύμπαντος. Εντέλει, η ακτινοβολία αυτή μετατοπίζεται στο εγγύς υπέρυθρο, στην ακτινοβολία δηλαδή που «βλέπει» το Roman. 

Το ενδιαφέρον είναι ότι δεν ξεχειλώνει μόνο η ακτινοβολία ενός TDE, αλλά και η παρατηρούμενη χρονική της κλίμακα. Όπως δηλαδή και μια έκρηξη σουπερνόβα, κάθε TDE είναι ένα παροδικό φαινόμενο, η φωτεινότητα του οποίου αυξάνεται γρήγορα, ενώ στην συνέχεια ελαττώνεται σταδιακά. Εξαιτίας, όμως, της μεγάλης ερυθράς μετατόπισης αυτών των γεγονότων, η φωτεινότητα ενός TDE, που προκαλείται από ένα άστρο του Πληθυσμού III, θα συνέχιζε να αυξάνει για εκατοντάδες ή ακόμη και για χιλιάδες μέρες. Η μείωση της φωτεινότητάς του από την άλλη θα διαρκούσε περισσότερο από μια δεκαετία. 

Όπως εξήγησε και ο Rudrani Kar Chowdhury, «στα άστρα του Πληθυσμού III, οι χρονικές κλίμακες ενός TDE είναι πολύ μεγάλες, και αυτό είναι ένα χαρακτηριστικό που θα μπορούσε να διακρίνει ένα τέτοιο φαινόμενο από άλλα παροδικά φαινόμενα, όπως είναι οι εκρήξεις σουπερνόβα και τα TDE άστρων του Πληθυσμού I».

Η σχετική μελέτη δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Astrophysical Journal Letters. 

Πηγή: Detecting Population III Stars through Tidal Disruption Events in the Era of JWST and Roman - IOPscience 

Περισσότερες πληροφορίες για τις εποχές του Κοσμικού Μεσαίωνα και του Επαναϊονισμού στο άρθρο Ο Κοσμικός Μεσαίωνας και η Εποχή του Επαναϊονισμού (eef.edu.gr) 

Φωτογραφία: Στιγμιότυπο από την προσομοίωση ενός TDE [Credit: Science Communication Lab/DESY, Tidal Disruption Event – Science Communication Lab (scicom-lab.com)]

π