天文学

第一颗星的'Univers

大爆炸后一亿年,第一颗恒星出现,结束了宇宙的黑暗时代。探索这个夜晚,宇宙学家重组了这些原始明星的肖像,与谦虚的当代太阳相比,异国情调的怪物。

理查德拉森和Volker Bromm 对于Science N°293
本文保留用于科学用户

先出现了什么,鸡蛋或母鸡?任何攻击“起源的神秘”的科学纪律都面临着这个古老的问题的自己版本,天体物理学也不例外。天文学家长期以来一直在知道,星星出生在一个深受前一代的星星的环境中。由于大爆炸的理论已经施加,我们明白宇宙并不总是存在,问题不可避免地是:第一颗星的似乎如何出现?当宇宙有大约400,000年的存在时,组成它,冷却的等离子体已成为中性和透明的气体。他所在的辐射逃脱,因为没有其他光源,天空变得完全黑。

今天,夜间充满了明星,表明普遍历史的黑暗时代已经过了很长时间。事实上,观察非常遥远的星星,当宇宙只有当前年龄的百分之十的百分之下时,已经发出了光线,表明,从那时起,该空间被填充有辉煌的物体。晦涩的年龄是十亿光年厚度的时空壳,夜间的底部帆布是从中出来的。当然,天体物理学家不能“看到那里发生的任何事件。

最近,使用数字仿真技术,宇宙学家已经建模了从大爆炸的密度波动的第一颗星的诞生。此外,天文学家通过观察遥远的Quasars,在黑暗时代的最后几天的见证人来回宇宙的历史。由于这些结果,我们对第一颗恒星的性质进行了更精确的理念。就像史前遗产的动物一样,如果我们将它们与我们今天看到的谦逊的太阳进行比较,那么第一颗星是一种异国情调的怪物。第一颗星是数百倍,因为他们目前的后代,千次更亮,他们的出生是一个让整个宇宙造成的事件。

晦涩的岁月结束

它们加热和电离,将它们包围的材料,产生和分散在一天的第一重量的元素形成行星。其中一些人的崩溃可能已经开始了巨大的黑洞,这构成了当代星系的心脏。简而言之,这些宇宙恐龙使我们今天知道的宇宙的出现可能是可能的,其中材料在不同的尺度上组织。

宇宙学家从大爆炸后40万年发布的宇宙学辐射背景中获得了重要信息。这种化石辐射构成了宇宙的形象,就像在热等离子体拍摄变成中性时一样。这种辐射深度的均匀性表明该材料非常均匀地分布,并且它必须保持数百万年。然而,等离子体温度的非常小的波动(每100,000份的一部分的顺序)表示原始汤中存在“块状”。据认为,虽然宇宙继续扩大,但这些肿块倾向于在自己的重量下凝结,逐渐形成引力的结构。宇宙的出现了一个空泡沫的“泡沫”,其加入形成了巨大的长丝网络 (见图1)。在该网络的节点,在物质的密度较大的情况下,能够产生恒星的第一系统出现:蛋白质。后来,这些蛋白质合并形成星系,这仍然在今天,聚集在星系集群中。

我们的宇宙模型表明,能够举办恒星形成的第一个密集物体必须在大爆炸后出现100至2.5亿年。这些ProtogAlaxes含有100,000至100万太阳能质量,并且测量在30%至100岁以下的型号之间。今天,在我们的银河系中,银河系,有大量的气体 - 形成现代恒星的分子云 - 具有相似的特征。但是,这种相似性只是肤浅的。首先,Protogalaxes基本上由暗物质制成,这是宇宙的神秘部件,其构成其质量的90%,但其组成颗粒从未被检测到。如今,在大星系中,暗物质与可见普通物质分开:可见材料在中央部件中收集,形成天文图像透露的乳白质盘,并在暗物质的巨大晕圈中上升。。在Protogalaxes中,相反,普通物质和暗物质不容理混合。

Protogalaxies的化学成分也与电流分子云的化学成分也非常不同。实际上,比氢气和氦气的较重的化学元素 - 天文学家称为“金属” - 在恒星心脏的热核融合反应期间形成“金属”,并将其注射到最大爆炸性的爆炸性死亡中。他们。在第一代恒星之前,Protogalaxies的气体不应含有任何金属。银河系的年轻明星,富含金属,被命名为人口星星 i,而最古老的明星,在我们的银河系中包含一些重点的时候训练,而是名为人口星星 II 。当然,第一代恒星(今天没有人留下)是人口星星 III.

今天,恒星形成在复杂的环境中,动态化学的座位,单独地使出生处于诞生现象的建模。在没有金属的情况下,第一款幼儿园的物理学更简单。此外,我们提供了一系列相当准确的世界的宇宙学模式,其中第一颗星出生。这些事件的模拟尝试了几组天体物理学家。来自宾夕法尼亚州立大学的汤姆亚伯,他的同事格雷格布莱恩和迈克诺曼建立了最现实的情景。凭借Paolo Coppi,Yale大学,我们基于更简单的假设进行了模拟,但允许我们探索许多参数,其他团队进行了类似的计算。这项工作彼此不同,但它们都导致了与第一星训练模式的相似描述。

在开始时,原始气体云形成在丝状结构的节点上,该节点在其自身重量的效果下填充空间和收缩。这种压缩在节点中心的气体中加热气体,温度迅速变为大于1,000个开塞尔蛋白。在这些温度和密度的条件下,一些氢原子是相似的,形成二氢分子(H 2),发射到红外线的分子。结果,它们撤离了云的热能:它们在用热原子休克期间获得能量,并以红外辐射的形式恢复。在具有显着的二氢浓度的云区域中,气体开始冷却(认为这些区域的温度落到约200或300个开塞尔蛋白)。这种现象导致压力下降,使得材料被引动限制的灯布坍塌。

菲亚特勒克斯!

较高密度区域的冷却将暗物质与天体物理学家即(重子,尤其是质子和中子,构成普通物质的大部分)。通过冷却,二氢氢叶朝向系统的质心落下,形成旋转扁平结构,由丝根和块组成,其可以在一种圆盘中足够快地组织。无论其其他性质如何,暗物质颗粒不能通过辐射光来失去它们的能量。它们不会冷却氢气,并将散落在原始云中。由此产生的Partogalactic系统必须看起来像一个现代的微型银河系:嵌入大型暗物质晕里的叠静电材料盘。在盘中,密集的肿块继续收缩,并且很快,其中一些人形成了他们的第一颗恒星。

这些密集的第一代云比形成现代恒星的分子云更温暖。如今,重量的存在促进了分子和粉尘颗粒的形成,这些颗粒比过氢化更有效地冷却云,将温度降至约10个开尔林。它是牛仔裤的应用,必须含有抗原块的临界量能够崩溃:它与气体云温度的平方成比例,并且与其压力的平方根成反比。

在银河系的云中,牛仔裤的质量接近太阳能质量,因此,沉淀到这些云中的前菌块的质量也是此幅度的峰值。在第一个茂密的云中,压力接近今天在分子云中统治的压力,但我们看到的温度高约30倍。因此,当时,牛仔裤的质量比今天高1000倍。据估计,原始原料抗肿块的质量应为500至1,000个太阳能质量。数字模拟确认这些估计数,因为它们导致形成几百个太阳能块的果实块。

我们的工作表明,这些值依赖于宇宙学模型的少数或所选的初始条件(例如,原始汤的密度波动的确切性质)。这易于理解:突出血管块的质量的计算基本上基于氢分子的众所周知的物理学(以及较小程度的模拟技术)。另一方面,在没有金属的情况下,气体的冷却完全基于红外辐射固定云的最终温度的二氢分子,并施加比其大量的牛仔裤的下限。此外,当云收缩时(当密度增加时,分子通过碰撞而不是通过辐射交换能量时,二氢辐射的作用迅速变得无效):温度不会降低,使质量抗议块牛仔裤至少是一个几百个太阳能群众。

下一步发生了什么?几百个太阳能群众的球员坍塌以形成一个独特的明星,或者在较小的元素中进行片段?天文学家的观察结果表明,当代抗原血细胞(其质量接近太阳的质量)限制为两个,有时三个,所形成的恒星的质量与相同的数量级牛仔裤的大量他们的父母云。这一结果也与他们的恒星训练模型一致。似乎原始抗原云表现得类似。

祖先的机器人肖像

它们的塌陷模拟被进行到立即形成恒星的阶段,并且没有观察到破碎趋势。无论如何,它似乎不太可能,因为如我们所见,分子氢气冷却的效率使牛仔裤的质量保持为高值。然而,这些模拟尚未确定,可以确定确定崩溃阶段的最终状态,并且不能排除二元系统的形成。

根据一些估计,第一颗星没有超过300个太阳能群众。根据我们的说法,恒星的形成比太阳更大的巨大。这些结果不一定不相容。因此,第一颗恒星可能没有超过300个太阳能群众,而那些在更大规模的常规蛋白质中遵循它们的那些就会达到更重要的群众。精确的定量预测很困难,因为第一颗星的训练立即改变了以下环境的环境。在形成非常大的明星期间,发射了非常能粒子和光子的风,能够在坍塌中吹云的一部分。然而,这种效果今天受重子的存在,对原始恒星不太重要。因此,导致天体物理学家的数量级没有被调用问题:第一颗星必须重量数百个太阳能群众。

这些恒星怪物是什么样的?由于缺乏金属,他们的心脏比同一群众的当代当代星星的心脏不那么热。结果,原始恒星更紧凑(相对于质量),其表面温度要高得多。距离夏威夷大学的Rolf Kidritzki以及来自哈佛大学的Usbaham Loeb,我们是我们之一(V.Bromm)的理论模型,描述了100到1 000个太阳能群体之间的原始恒星。这些恒星是呈现100,000个开尔林序列的表面温度,约17倍太阳的表面温度。它们会像白蓝色到人眼的百叶窗一样,对紫外线域不敏感,在那里它们辐射大部分能量。这种非常能辐射不得不点燃中性氢和周围氦气,为宇宙开口开放,这是我们所称宇宙复兴的新时代。

宇宙复兴

天文学家忽略了凝聚到形成第一颗恒星的气体的一部分。然而,即使它只是每10万部分,也形成的恒星已经足以对大部分剩余的气体进行大量。当其中一个星星开始发光时,等离子泡沫逐渐膨胀。然后在数百万年之后,原始恒星的数量增加,这些气泡最终得到了合并,完全完成了间隔气体。最近,加州理工学院团队和 SDSS. (斯隆数字天空调查, Sloan的数字映射计划) 观察到在宇宙大约9亿年的速度发布的标准条件中强烈吸收紫外线。这种吸收将是由于光通过中性氢气的最后水坑的通过,这表明电离时期在那时最终结束。如果第一颗恒星随着我们认为的,它们也撕裂了氦术气体的氦原子的电子,即使这种电离需要比氢的能量更多。另一方面,如果原始恒星具有接近最低估计的群体,则只有当在活性星系的第一个核,Quasars的第一个核开始发光时,电离氦必须才出现。到来的评论将帮助我们确定氦气已经被电离的时间,也许是决定这个问题。

无论答案是什么,我们已经知道,第一代明星迅速改变了宇宙景观。非常大规模的明星一定非常简短的生活,大约三百年或三百万年(比太阳少4,000倍)。很快,第一颗星必须在其存在结束时爆炸超新星,从而喷射他们在其心中合成的金属。恒星物理学的模型预测,在灾难性的烟花期间,100至250个太阳能群体的恒星完全崩解,释放了大量的重型元素,在星际环境中,我们认为很多明星原始是在这一类别中。金属比二氢金属更有效,以冷却原料云,它们的分散性,即使在非常少的数量上,对于随后的恒星训练率而言,不得不具有重要的影响。

弥漫底部的温度

与andreas ferrara,从意大利佛罗伦萨大学,我们表明金属在阳光下比阳光较少1000倍的气体云,可以冷却到辐射底部的温度。宇宙(19个厄尔文在我们感兴趣的时候,与今天的2.7个厄尔韦斯相比)。该温度每次都是最低的。从那一刻起,可以形成少量的质量恒星,这肯定会加速恒星出生率。在第一代产生大量金属之前,恒星形成的速率没有显着增加。在这种情况下,它是第二代恒星,它是通过在其老年人超级分类之后立即侵犯狂热的宇宙,将激起对宇宙文艺复兴的令人困惑的令人兴奋。

在激烈的恒星形成时代的开始时,宇宙漫射物质的温度高于今天:超过当代分子云(十塞尔林)的温度。因此,幼儿园苗圃不像今天那样寒冷,而且凭借我们已经看到的牛仔裤的争论,大群众的恒星(至少几十几十个太阳能群众)继续是青睐。由于Protogalaxies之间的连续并购,在星系的出现的第一阶段也必须形成大量大量恒星。在星系之间的碰撞期间,这种大规模的恒星训练突发仍然发生,但是认为当时他们更野蛮和更频繁。

如果我们承认原始宇宙产生了很多大型明星,那么当代宇宙的一些悖论可以解释。因此,今天,星系在任何情况下都含有极差差的金属恒星,小于金属以与恒星形成成比例的速率产生。也许巨大的恒星的比例,能够在重量的元素中富集星际,在原始宇宙中的巨大较大。他们的死将迅速释放大量的金属,当宇宙变冷时足够冷,以允许形成难以理解的恒星(因此能够幸存下来),重量的元素已经非常丰富。

巨星和超新星

此外,在星系簇中,非常热的晶状体气体,漫射X射线的源极,提出了另一个问题。实际上,其金属含量高于预期。此外,大多数金属甚至普通物质似乎都包含在白乳扁气体中,而不是在星系中。此观察结果再次争辩说,有利于超新星和因此巨大恒星的原始宇宙非常频繁。我们观察到的材料的分布非常好,如果星系的形成伴随着巨型恒星的强烈生产,其次是相应的超新星屏障射击,能够从星系中喷射金属的必需品。

质量大于太阳的250倍的星星在他们的生活结束时不会爆炸:它们完全坍塌以形成相当质量的黑洞。大多数模型表明,在第一代时,这些星星在普通中普通。由于它们已在宇宙的密度区域形成,因此他们为此产生了谁的黑洞已经通过连续的合并来纳入更大的批量生产。其中一些人可能是今天在星系核中增长的超大分配黑洞(一百万到10亿太阳能群)的细菌。许多这些银基在渴望大量物质(落入这些黑洞中的气体时,这些银核的形式开始存在于Quasars的形式上如果这些超大的黑洞出现了几百个太阳能群众的黑洞的聚结,我们应该在更大的距离处检测,因此在前一次,存在“迷你Quasars”前体。这些物体将为额外的贡献提供额外的贡献,对白乳扁气体的电离的负责辐射。

今天我们有一个相干的原始宇宙历史的形象,尽管有些部分仍然存在投机。我们现在知道,第一颗星和蛋白酶训练已经开辟了宇宙演进的新阶段。在未来几年内,由于乐器进展,我们将在晦涩的时间内更深入地移动,当时是第一颗恒星的形成。因为它们非常庞大,辉煌,新的仪器,如新一代空间望远镜(ngst.),可能会发现它们中的一些。近期观察,由于引力透镜的放大效果,非常原始的恒星形成区域加强了这种希望。所以,我们会在夜晚知道什么隐藏。

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