Οι πρώτοι αστέρες στο Σύμπαν 

Κοιτάζοντας το νυχτερινό ουρανό ίσως είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς ένα Σύμπαν πριν την ύπαρξη αστέρων. Τι είναι για εμάς το διάστημα παρά ένας απέραντος κενός χώρος διάστικτος από αμέτρητες κουκκίδες συγκεντρωμένης πυρηνικής φωτιάς; Αλλά αυτές οι κουκκίδες, για εμάς, έχουν μία μεγάλη ιστορία που απαρτίζεται από πολλές γενιές, με γεννήσεις, θανάτους, και αλλαγές στις συνθήκες διαβίωσης. 

Αλλά ας ξεκινήσουμε από το παρόν. Ο Ήλιος, που έχει ηλικία περίπου 4,5 δισεκατομμύρια ετών, θεωρείται αστέρας Πληθυσμού Ι. Αυτή είναι η νεότερη γενιά αστέρων, στην οποία δόθηκε το νούμερο ένα (I) επειδή εκεί ζούμε εμείς και μας αρέσει να βλέπουμε τα πράγματα ανθρωποκεντρικά. Οι παλαιότεροι αστέρες στο Γαλαξία μας ανήκουν στον Πληθυσμό ΙΙ. Βρίσκονται στο κέντρο του Γαλαξία ή σε σφαιρωτά σμήνη αστέρων στην άλω του και χαρακτηρίζονται από χαμηλότερη μεταλλικότητα από ότι στον Πληθυσμό Ι (στην αστροφυσική “αργκό”, όλα τα στοιχεία που είναι βαρύτερα από το υδρογόνο και το ήλιο αποκαλούνται μέταλλα). 

Η διαφορά στο ποσοστό μετάλλων από γενιά σε γενιά των αστέρων οφείλεται στο ότι τα μέταλλα (με πενιχρές εξαιρέσεις κάποιων πολύ ελαφρών στοιχείων) παράγονται από τους αστέρες κατά τη διάρκεια της ζωής τους, και κυρίως στις τελευταίες τους στιγμές όταν γίνονται υπερκαινοφανείς. Έτσι πρέπει το διάστημα να έχει ήδη σπαρθεί με μέταλλα από προηγούμενους αστέρες ώστε να είναι πιο μεταλλικοί οι καινούργιοι. Αλλά τι γινόταν όταν δεν υπήρχαν καθόλου μέταλλα στο Σύμπαν; Πώς έγιναν οι πρώτοι αστέρες; 

Πολύ πριν από τον Πληθυσμό ΙΙ, θεωρείται πως υπήρξε ο Πληθυσμός ΙΙΙ που ήταν οι αρχέγονοι αστέρες. Σχηματίστηκαν από τη βαρυτική κατάρρευση νεφών υδρογόνου και ηλίου, με αμελητέες προσμίξεις λιθίου. Αλλά η απουσία μετάλλων είχε επιπτώσεις. Τα μέταλλα έχουν ψυκτική και κατασταλτική επίδραση στην κατάρρευση των νεφών υδρογόνου, οπότε χωρίς αυτά μπορούσαν να σχηματιστούν πολύ μεγαλύτεροι αστέρες από αυτούς που δημιουργούνται σήμερα, οι οποίοι θα ήταν και πολύ βραχύβιοι λόγω της μεγάλης μάζας τους.  

Έχουμε μία καλή ένδειξη για το πότε ξεκίνησε αυτή η διαδικασία. Η ακτινοβόληση του Σύμπαντος με υπεριώδη ακτινοβολία από όλους αυτούς τους αστέρες θα πρέπει να προκάλεσε μία πρωτόγνωρη διέγερση του διάσπαρτου υδρογόνου σε μία συγκεκριμένη συχνότητα, στα 1,4 GHz. Λόγω διαστολής του Σύμπαντος, η ηχώ αυτής της ακτινοβολίας θα πρέπει να υπάρχει διάσπαρτη στο Σύμπαν σε μία, κατά περίπου είκοσι φορές, ελαττωμένη συχνότητα. Το 2018 αστρονόμοι στην Αυστραλία την εντόπισαν στα 78 MHz, και χάρη σε αυτό γνωρίζουμε ότι η διαδικασία αστρογένεσης ξεκίνησε περίπου 180 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang). 

Για πόσο καιρό όμως είχαμε αστέρες Πληθυσμού ΙΙΙ; Οι πολύ μεγάλοι αστέρες θα είχαν μικρούς χρόνους ζωής – μόλις λίγα εκατομμύρια χρόνια – και οι διάδοχοί τους σύντομα θα είχαν αρκετά μέταλλα ώστε να ανήκουν στον Πληθυσμό ΙΙ. Αλλά για πολλά εκατομμύρια χρόνια οι δύο πληθυσμοί θα ήταν ανάμεικτοι, με πιο απομονωμένους αστέρες να σχηματίζονται στον Πληθυσμό ΙΙΙ την ίδια στιγμή που σε πιο “κοσμοπολίτικες” περιοχές του Σύμπαντος θα υπήρχε πλέον μόνο ο Πληθυσμός ΙΙ. Πρόσφατοι υπολογισμοί δείχνουν ότι αστέρες του Πληθυσμού ΙΙΙ μπορεί να σχηματίζονταν μέχρι περίπου 900 εκατομμύρια χρόνια από την απαρχή του Σύμπαντος – ή, κατά την προσφιλή ορολογία των αστρονόμων, μέχρι ερυθρομετατόπιση z=6.  

Λόγω της μεγάλης τους αρχαιότητας και σύντομης ζωής, και άρα μεγάλης απόστασης από εμάς, αρχικά υποθέταμε ότι θα ήταν μάλλον απίθανο να τους παρατηρήσουμε με τα τηλεσκόπιά μας. Χάρη, όμως, σε έναν τυχερό βαρυτικό φακό, το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble είδε έναν αστέρα με μάζα τουλάχιστον 50 φορές αυτή του Ηλίου σε ερυθρομετατόπιση z=6,2 – δηλαδή εντός της εποχής όπου σχηματίζονταν ακόμα αστέρες Πληθυσμού ΙΙΙ. Και πρόσφατες προσομοιώσεις υποδεικνύουν ότι κάποιοι από τους πρώτους αστέρες μπορεί να ήταν πολύ μικροί – και άρα να υπάρχουν ακόμα, ίσως και στο Γαλαξία μας. Το 2018 ανακαλύφθηκε ένας αστέρας μικρής μάζας (0,8 φορές τη μάζα του Ήλιου) με πάρα πολύ μικρή μεταλλικότητα. Αυτό μοιάζει να επιβεβαιώνει τις υποθέσεις ότι κατά τη διαδικασία σχηματισμού μεγάλων αστέρων χαμηλής μεταλλικότητας, μέρος του πρωτοαστρικού δίσκου μπορεί να διασπάται, σχηματίζοντας μικρούς και άρα μακρόβιους αστέρες. Έτσι, είναι πιθανό κάποιοι από τους πρώτους αστέρες στο Σύμπαν να λάμπουν αμυδρά κάπου όχι πολύ μακριά μας.