Galaksien muodostuminen alkoi ensimmäisten tähtien ilmestymisestä, jotka eivät ehkä olleet samanlaisia kuin ne, jotka tunnemme nykyään. James Webb –teleskoopin havainnot näyttävät vahvistavan tämän hypoteesin.
Mikä on tähti? RAE:n opiskelijasanakirjan (ensimmäinen, joka tuli vastaan hakukoneessa, kuka tietää miksi) mukaan se on ”taivaankappale, joka loistaa yöllä, lukuun ottamatta kuuta”. Tämä johtaisi meidät siihen johtopäätökseen, että planeetat, kuten Venus tai Mars, asteroidit, kuten Vesta, ja komeetat, kuten 3I/ATLAS, ovat tähtiä. Astrofyysikkona en ole tästä varma, vaikka tämä määritelmä auttaa hyvin ymmärtämään sanan ”planeetta” etymologiaa, joka keksittiin kuvaamaan ”vaeltavia tähtiä”, koska ne näyttävät ensi silmäyksellä hyvin paljon tähdiltä, mutta toisin kuin tähdet, ne liikkuvat taivaalla. RAE:n virallisessa sanakirjassa määritelmään lisätään ”omalla valolla”, mikä voi viitata energianlähteeseen, josta kerron myöhemmin, mutta sekään ei vakuuta minua, koska kaikki tietyssä lämpötilassa säteilee omaa valoa.
Wikipedian mukaan tähti on ”plasmasferoidi, jota gravitaatio pitää koossa”. Tämä määritelmä on lähempänä sitä, mitä me astrofyysikot käytämme, ja jopa sitä, mitä useimmat ihmiset kuvittelevat. Määritelmä itsessään sisältää jo paljon enemmän yksityiskohtia. Ensinnäkin plasma on kuuma kaasu, jonka lämpötila on riittävän korkea ionisaatioon. Kuuma tarkoittaa, että se ”säteilee punaista tai valkoista valoa”. Toiseksi, ”painovoiman pidättämä” kätkee sisäänsä paljon enemmän käsitteitä. Se tarkoittaa, että se on saavuttanut tasapainon, jonka ei tarvitse olla ikuinen – tähdetkin kuolevat – ja jossa painovoima on mukana.
Mutta on vielä jotain muuta, mitä tämä tietosanakirjamainen määritelmä ei selitä: plasman luonne. Plasma, kuten mikä tahansa kaasu, omaa paineen, joka pyrkii laajentamaan sen tilavuutta kohti alueita, joissa paine on alhaisempi. Tämä fysikaalinen ilmiö selittää muun muassa tuulen ilmakehässämme. Tähdessä kaasun laajeneva paine tasapainottuu gravitaation aiheuttamalla puristuksella . Ja kun tasapaino saavutetaan, saamme tähden.
Kuten voitte nähdä, RAE tai Wikipedia eivät mainitse sitä, mikä tulee mieleen, jos olet kiinnostunut astrofysiikasta: ydinsynteesi. Tämä on erittäin tärkeä seikka, koska jos painovoima vastustaa plasman painetta, tasapainon säilyttämiseksi pitkällä aikavälillä on välttämätöntä, että paine ja siten myös lämpötila pysyvät muuttumattomina. Mutta kaikki plasma, kaikki, mikä on tietyssä lämpötilassa, säteilee valoa ja menettää energiaa tässä prosessissa. Näin ollen plasman on jäähdytettävä, ja tasapaino häiriintyy. Koska tähdet, mukaan lukien Aurinko , säteilevät jatkuvasti valoa – Aurinko muuttaa kirkkauttaan vain 0,1 % , se tarkoittaa, että on olemassa mekanismi, joka lämmittää kaasua ja antaa sille energiaa, jota se tarvitsee jäähtymättä, jotta sen paine pysyy tasapainossa gravitaation kanssa, olettaen että gravitaatio ei muutu, koska tähden massa ei muutu; mikä yleisesti ottaen ei ole totta, mutta se on jo toinen tarina.
Auringon tasapainoa ylläpitävä energianlähde on ydinsynteesi . Emme tietenkään ole aina tienneet tästä ilmiöstä. Vain 200 vuotta sitten yleisimmin hyväksytty teoria, jota kannattivat johtavat fyysikot, kuten Hermann von Helmholtz, oli, että aurinko supistuu; ja mikä mielenkiintoista, mikä tahansa kaasu, joka supistuu oman painovoimansa vaikutuksesta, menettää energiaa, jota voidaan käyttää sen lämmittämiseen. Tämä on vastoin intuitiota oleva käsite, mutta erittäin tärkeä planeetoille kuten Jupiter tai Neptunus, jotka säteilevät enemmän energiaa kuin saavat Auringolta, mitä ei tapahdu Maassa. Teoria ei kuitenkaan toiminut kovin hyvin, koska emme näe muutoksia Auringon koossa. Lisäksi tämä energian saantitapa tarkoitti, että Aurinko voisi olla vain 20 miljoonaa vuotta vanha, mikä on kaukana monien maapallon kivien iästä.
Sata vuotta sitten toinen tunnettu fyysikko, Ernest Rutherford, esitti, että aurinkoplazma lämpiää sen sisältämien joidenkin alkuaineiden radioaktiivisen hajoamisen ansiosta. Myös tämä ilmiö hylättiin, vaikka se onkin erittäin tärkeä: se selittää maapallon rakenteen, jossa on kuuma vaippa ja ydin, millä on meille erittäin tärkeitä seurauksia, kuten esimerkiksi laattojen tektoniikan olemassaolo.
Vajaa 100 vuotta sitten Albert Einstein ja Arthur Eddington, muut fysiikan nerot, tulivat siihen tulokseen, että auringon sisällä vallitsevat lämpötilat ja paineet ovat riittävän korkeat, jotta vetyatomit fuusioituvat heliumatomiksi. Tämä prosessi vapauttaa energiaa, joka vastaa vety- ja heliumatomien massojen eroa, joka on hieman pienempi kuin näiden summa. Hieman yli 50 vuotta sitten vahvistettiin, että ydinsynteesi on energianlähde, joka ylläpitää tähtien tasapainoa yhdessä gravitaation kanssa ja on vastuussa monien, mutta ei kaikkien, meitä ympäröivien alkuaineiden synteesistä, erityisesti niin tärkeiden kuin happi, hiili ja typpi.
Sitten palaamme alkuperäiseen kysymykseemme: mikä on tähti? Voimme kysyä, onko termoydinsynteesi välttämätöntä, jotta taivaankappale voidaan kutsua tähdeksi. Jos emme pidä sitä välttämättömänä, voimme kutsua joitakin taivaankappaleita neutronitähtiksi tai pitää tähtinä valkoisia kääpiöitä, jotka ovat ”yöllä loistavia taivaankappaleita” sekä ”plasmasferoideja, joita gravitaatio pitää koossa”. Molemmissa tapauksissa painovoima tasapainottuu ei kaasun paineella, jota ylläpitää ydinsynteesi, vaan muilla ilmiöillä – hyvin mielenkiintoisilla, sanoisin, kvantti-ilmiöillä! – jotka ovat vähemmän klassisia kuin kaasun paine, mutta joita en halua käsitellä tänään.
Ottaen huomioon, että tähden ei tarvitse välttämättä käydä läpi termoydinsynteesiä voidakseen kutsua itseään tähdeksi, on olemassa vielä yksi objekti, jonka olemassaolo esitettiin kaksi vuosikymmentä sitten ja jonka olemme ehkä juuri löytäneet James Webb -avaruusteleskoopin avulla. Nämä kohteet olisivat samanlaisia kuin Aurinkomme siinä mielessä, että ne olisivat suuria ionisoituneen kaasun palloja, jotka muodostavat kuoren säteilevän ytimen ympärille, jossa energia syntyy. Mutta termoydinsynteesin sijaan ytimessään näillä kohteilla olisi musta aukko. Musta aukko voisi äärimmäisen painovoimansa ansiosta lämmittää lähimmän kaasun miljooniin asteisiin, mikä riittää luomaan myös ulkoisen ilmakehän, jonka lämpötilat ovat samanlaiset kuin aurinkomme kaltaisissa tähdissä, noin 5500 astetta. Tämä on niin sanottu musta aukko-tähti – lyhennettynä BH* – tai kvasitähti. Jälkimmäinen nimi ei liity mitenkään kvasariin, joka on peräisin toisesta kvasitähtien kaltaisesta kohteesta: astrofyysikot sekoittavat usein nimet pahasti. James Webb -avaruusteleskooppi on mahdollisesti havainnut vastaavia kohteita niin kutsuttujen pienten punaisten pisteiden joukossa, joista joillakin on kaikki mustien aukkojen (BH) odotetut ominaisuudet. Tarkistamme kuitenkin vaihtoehtoisia selityksiä ja yritämme ymmärtää, miten nämä kohteet muodostuvat, koska prosessin on oltava samanlainen kuin supernovien muodostuminen, mutta ilman räjähdystä! Ja ehkä nämä BD:t ovat avainasemassa galaksien muodostumisen alkuvaiheessa varhaisessa maailmankaikkeudessa.
”Kosminen tyhjyys” on osio, joka esittelee tietomme maailmankaikkeudesta sekä laadullisesti että määrällisesti. Sen tarkoituksena on selittää avaruuden ymmärtämisen merkitys paitsi tieteelliseltä myös filosofiselta, sosiaaliselta ja taloudelliselta kannalta. Nimi ”kosminen tyhjyys” viittaa siihen, että maailmankaikkeus on suurimmaksi osaksi tyhjä, tiheydeltään alle yksi atomi kuutiometrissä, vaikka paradoksaalisesti ympäristömme sisältää kvintiljoona atomia kuutiometrissä, mikä herättää pohdintoja olemassaolostamme ja elämän olemassaolosta maailmankaikkeudessa.
