הכוכבים הראשונים לא דמו כלל לכוכבים הקרירים יחסית ומאריכי הימים שמאכלסים את היקום כיום. בזמנו, לפני יותר מ־13 וחצי מיליארדי שנים, כמעט כל החומר הנראה ביקום היה מורכב ממימן עם מעט הליום.
בעבר, ללא יסודות כבדים יותר, הכוכבים הראשונים הוארו בתהליך של היתוך גרעיני, היטלטלו מצד לצד דרך מאגרי המימן שלהם ואז פרצו בסופרנובות. גופים אדירי ממדים אלה התרחבו לממדים גדולים עד פי מאה ממסת השמש, ושרדו רק כמה מיליוני שנים. לשם השוואה, כדור הארץ הוא בן כ־4.6 מיליארדי שנים, וצפוי להמשיך להתקיים לכל הפחות לפרק זמן זהה.
אולם אסטרונומים מעולם לא ראו את הכוכבים המוקדמים הללו. הם נוצרו בתום תקופה שנקראת ימי החושך הקוסמיים, כאשר היקום היה אפוף בגז מימן עכור. האור מהכוכבים האלה אינו בהיר מספיק כדי להיות מזוהה בנפרד מכוכבים אחרים, אפילו על ידי הטלסקופים החזקים ביותר. כדי להציץ אל ליבם של הגופים הכבירים הללו, מדענים פונים כעת להדמיות של מחשבי־על, כמו הדמיית ענן הגז של היווצרות הכוכב הקדום של אוניברסיטת סטנפורד.
"מה שיפה הוא שאנחנו בעצם יודעים את הפיזיקה והמשוואות של איך החומר מתנהג ואיך עובדת הכבידה", אומר טום אָבֵּל, אסטרופיזיקאי חישובי במכון קוולי לאסטרופיזיקה של חלקיקים וקוסמולוגיה (KIPAC) באוניברסיטת סטנפורד, שיצר את ההדמיה יחד עם מפתח התוכנה ראלף קהלר, אף הוא מהמכון. "זה נותן לך מסגרת שבה אתה יכול להבין כיצד דבר אחד יכול היה להפוך לדבר אחר".
תהליך התמרה זה שבו כוכבים מיזגו בתוכם יסודות קלים עם מתכות כבדות יותר, הניע את התפתחות היקום. כל מה שכבד יותר מהליום נחשב ל"מתכת" באסטרונומיה, והיסודות החדשים הללו נוצרו בפעם הראשונה כשהכוכבים המוקדמים ביותר התפרצו בסופרנובות ופיזרו את תוכנם על פני היקום.
(קראו עוד על חמש קבוצות כוכבים מפורסמות ש[כמעט] כל אחד יכול למצוא.)
אומנם טלסקופ החלל וב לא יכול לראות את הכוכבים הראשונים שאי פעם נוצרו, אך הוא הצליח ללכוד מראות מדהימים של היווצרות כוכבים הקרובים באופן יחסי לכדור הארץ. בתהליך היווצרות הכוכב מתפרץ מתוכו חומר המתגבש לכדי צורת שעון חול. ניתן לראות שכבות דמויות בועה של גז ואבק מיתמרות מתוך קדם־הכוכב, שנמצא במרחק של כ־460 שנות אור מכדור הארץ. האזורים הכתומים כוסו בחלקם באבק ואילו האזורים הכחולים גלויים יותר.
בשלב מסוים, מכלול של כוכבים הסתחררו יחד ויצרו את הגלקסיות הראשונות, ביניהם המבנים המוקדמים ביותר של שביל החלב. מתכות הצטברו, ודורות חדשים של כוכבים נוצרו מהיסודות הכבדים האלה, רבים מתפתחים להיות קטנים יותר, קרירים יותר ועמידים יותר. סביב חלק מהכוכבים הללו, שאריות אבק – חומר שנוצר במהלך סופרנובות – התקבצו יחד לכוכבי הלכת הראשונים.
הולדת הכוכבים הראשונים מייצגת את תחילתו של רצף אירועים שיצרו את כל העולמות והיצורים החיים ביקום, וניתן להשתמש בהדמיות כדי לחקור את הצעדים הראשונים והקריטיים שטלסקופים עדיין לא יכולים לראות.
שכבות של ענן בין־כוכבי
יכולתם של המדענים לדמות את היקום הולכת וגדלה הודות להתקדמות בענפי הפיזיקה והמחשוב. בהשראת השיגור של טלסקופ החלל ג'יימס וב, שהחל לגלות במהירות את הגלקסיות המוקדמות ביותר שאי פעם נצפו, אָבֵּל החל להריץ סימולציות חדשות של היקום בשלביו המוקדמים בתקופה שבה הרזולוציה היא כמעט פי אלף יותר גבוהה ממה שהייתה כאשר החל לעבוד על דגמי מחשב קוסמולוגיים לפני יותר מ־20 שנים.
בשלב זה, דברים החלו להשתנות. כפי שמראה ההדמייה של אוניברסיטת סטנפורד, נוצר ענן – ברוחב של כאלף שנות אור – שבו הצטברו מולקולות של מימן. השכבות החיצוניות של הענן הזה החלו להתקרר מכיוון שמולקולות המימן החדשות שנוצרו שחררו מדי פעם פוטונים של אור, והוציאו אנרגיה וחום. כשהטמפרטורות יורדות, תנועת הגז מואטת והחומר שמאחוריו נערם ושולח גלי הלם דרך הענן.
וב חדר לעננים של ערפילית הטרנטולה בכדי ללכוד אלפי כוכבים צעירים עטופים באבק קוסמי במרחק של כ־170,000 שנות אור משם, ביניהם כוכבים שטרם נראו לפני כן.
כדי שהכוכבים הראשונים ייווצרו, גז היה צריך להצטבר בכיסים צפופים מספיק כדי לאלץ אטומי מימן להתמזג להליום, ולשחרר חום ואנרגיה. תהליך זה התרחש עקב כוחות הכבידה של יד בלתי נראית: חומר אפל. לפני שהכוכבים הראשונים נוצרו, החומר הבלתי נראה הזה, שלדעת האסטרונומים מהווה כ־85 אחוזים מכל החומר ביקום, התקבץ יחדיו במבנים הנקראים "הילות חומר אפל".
הכדורים העצומים הללו – שנקראים על שם הדרך שבה חומר אפל מקיף חומר גלוי לעין ויוצר טבעות של חשכה המקיפות אור – יוצרים את הפיגומים של היקום. בתוכם, כיסי גז עכורים נדחפו פנימה כל הזמן, והציתו את האש שתשים קץ לעידן הקוסמי האפל.
אחד היתרונות של הדמיית הכוכבים הראשונים, אומר אָבֵּל, טמון בכך שלומדים לחוש הערכה כלפי האופן שבו הפיזיקה הבסיסית של המימן, היסוד הקטן והקל ביותר, הכתיבה את היווצרותם של כוכבי ענק שישנו את היקום.
במרוצת העידנים האפלים, רוב האטומים הללו היו בצורת מימן ניטרלי – כלומר, אטומים בודדים שריחפו בחופשיות בחלל. במרכזן של הילות חומר אפל גדולות, שבהם הצטבר חלק גדול מהמימן הניטרלי הזה, הטמפרטורות עלו ואטומים בודדים היו לפעמים מתנגשים ונצמדים זה לזה, ויוצרים מולקולות של שני אטומי מימן.
כוכבים שזה עתה נוצרו פרצו מתוך פקעות של גז ואבק בתמונה זו של הטלסקופ וב של "רו אופיוצ'י" (Rho Ophiuchi), אזור יצירת הכוכבים הקרוב ביותר לכדור הארץ. האזור מכיל כ־50 כוכבים צעירים, רבים מהם בעלי מסה דומה לזו של השמש. כוכב גדול יותר בחצי התחתון של התמונה מפוצץ מערה בתוך העננים העבים.
התמונה נוצרה מפסיפס של שש תמונות (180 תמונות בשישה מסננים) על ידי נאס"א, ESA, CSA, STSCI, KLAUS PONTOPPIDAN (STSCI).
"יש כאן כל כך הרבה מבנים", אומר אָבֵּל על השכבות השונות של הדמיית הענן יוצר הכוכבים. "זה כל כך כיף".
עמוק יותר בתוך הענן, שכבות נוספות מחוממות או מקוררות, מה שגורם להתנגשויות סוערות יותר. תהליכי הקירור גם מפחיתים את לחץ הגז שנדחף החוצה, שהוא הדבר העיקרי שמתנגד לכוח המשיכה. ללא הרף, טיפין טיפין, הענן מתמוטט פנימה.
"בעצם מה שיקרה הוא שייווצר עצם בעל מסה של כעשר פעמים כוכב צדק, ואז מסה שכזו תצטבר מהר מאוד", אומר אָבֵּל.
מדענים אינם יודעים בדיוק עד כמה גדולים נעשו הכוכבים המוקדמים ביותר האלה כשהגז המשיך להיערם, אבל ייתכן שהם גדלו עד פי כמה מאות ממסת השמש.
טעינת היקום
האנרגיה העזה ששחררו הכוכבים הראשונים לא רק פיזרה מתכות בסופרנובות, אלא גם האירה את הקוסמוס באור על־סגול. קרינה זו הפשיטה את אטומי המימן הניטרליים מהאלקטרונים שלהם והפכה את הגז לשקוף יותר, זמן משמעותי בהיסטוריה הקוסמית המכונה יינון מחדש.
למרות שאולי לעולם לא נמצא את הכוכב הראשון שנוצר, היכולת שלנו לדמות את הקוסמוס מספקת תמונה ברורה יותר מתמיד של הזמן הקריטי הזה. הדמיות שכאלה יכולות גם לחשוף כיצד היקום עשוי להיראות בעתיד.
"אתה יכול לחקור את הדבר הראשון שעדיין לא ראינו", אומר אָבֵּל, "ותוכל לחקור את הדבר האחרון שאנשים יוכלו לראות אי פעם".
