बिग बैंग के 1 अरब साल बाद, लगभग बिना कार्बन वाली एक आकाशगंगा

बिग बैंग के ठीक बाद साधारण पदार्थ लगभग सिर्फ़ हाइड्रोजन और हीलियम था। हर भारी तत्व — कार्बन, ऑक्सीजन, लोहा — बाद में तारों के भीतर बना, और उनके विस्फोटों से बिखर गया।

तारों के जन्म के लिए यह मायने रखता है। सिकुड़ता हुआ गैस का बादल सिकुड़ते समय गर्म होता है, और तारों में टूटने के लिए उसे वह गर्मी बाहर निकालनी पड़ती है। आज के ब्रह्मांड में ज़्यादातर ठंडा करने का काम कार्बन और ऑक्सीजन के आयन करते हैं, और बादल हर आकार के तारों में टूट जाते हैं, जिनमें से कई सूर्य से छोटे होते हैं। इन तत्वों के बिना पहले बादल सिर्फ़ हाइड्रोजन अणुओं के ज़रिए ठंडे हो सकते थे। वे बड़े टुकड़ों में टूटे, और उनसे बने तारे ज़्यादातर विशाल थे।

“सामान्य” तारा-निर्माण की ओर मुड़ने के लिए कितना कार्बन और ऑक्सीजन चाहिए? बहुत कम: सूर्य के हिस्से का लगभग 1/3,000। यह दहलीज़ इतनी तेज़ी से पार हुई कि अब तक चमकती देखी गई हर दूर की आकाशगंगा, जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप से देखी गई आकाशगंगाओं समेत, दिखने लायक़ चमकीली होने तक इससे काफ़ी ऊपर पहुँच चुकी होती है।

क्वेसार की रोशनी में एक बादल को पढ़ना

आदिम गैस खोजने का एक और तरीक़ा है: उसे अपने पीछे की किसी ज़्यादा चमकीली चीज़ की रोशनी सोखने दो। हाइडलबर्ग विश्वविद्यालय की सारा बोसमैन, मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फ़ॉर एस्ट्रोनॉमी के फ़्रेडरिक डेविस और 23 सहयोगी 4.5 से 5.5 के बीच रेडशिफ़्ट वाले 30 सबसे चमकीले क्वेसारों का सर्वेक्षण GHOST से कर रहे हैं — चिली में जेमिनी साउथ टेलीस्कोप पर 2024 में लगाया गया एक स्पेक्ट्रोग्राफ़, जिसे वे अब तक बना सबसे संवेदनशील उच्च-विभेदन स्पेक्ट्रोग्राफ़ बताते हैं।

क्वेसार J1941−4500 की रोशनी उदासीन हाइड्रोजन के एक घने बादल से होकर गुज़रती है — एक “डैम्प्ड लाइमन-अल्फ़ा अवशोषक”, उस तरह का गैस-भंडार जो किसी आकाशगंगा के तारा-निर्माण क्षेत्रों से कुछ किलोपारसेक के भीतर माना जाता है। बादल का हर तत्व अपनी ख़ास तरंगदैर्घ्यों पर रोशनी सोखता है। 5.8 घंटे के एक्सपोज़र के बाद टीम सिलिकॉन, ऑक्सीजन और कार्बन माप सकी; लोहे का पता बिल्कुल नहीं चला।

अब तक का सबसे आदिम बादल

UMP-DLA-1 नाम का यह बादल 5.14 के रेडशिफ़्ट पर है, यानी बिग बैंग के लगभग 1.1 अरब साल बाद। इसके आँकड़े:

कार्बन: हाइड्रोजन के सापेक्ष सूर्य से 11,000 गुना कम (सबसे नए सौर संदर्भ के साथ लगभग 16,000 गुना कम)।
ऑक्सीजन और सिलिकॉन: सूर्य से लगभग 5,000 गुना कम।
यह पहले ज्ञात ऐसे किसी भी बादल से ऑक्सीजन और सिलिकॉन में तीन गुना से ज़्यादा, और कार्बन में चार गुना ज़्यादा ग़रीब है। लोहे में भी यह सबसे ग़रीब है।
हीलियम से भारी तत्वों का कुल द्रव्यमान-अंश: दस लाख में 3.16।

लेखक कार्बन और ऑक्सीजन को एक ही संख्या में जोड़ते हैं, “संक्रमण विभेदक” (transition discriminant), जो बताती है कि कोई बादल पर्याप्त ठंडा हो सकता है या नहीं:

D_trans = log₁₀ (10^[C/H] + 0.3 × 10^[O/H])

−3.5 से नीचे कोई बादल लगभग एक सौर द्रव्यमान से छोटे तारों में नहीं ढह सकता। UMP-DLA-1 −3.85 पर है। यह इस रेखा से नीचे पाया गया पहला गैस-भंडार है — इसलिए सिर्फ़ इसकी कम धातु-मात्रा ही यह पक्का करती है कि इसके तारे ज़्यादातर भारी थे।

आरंभिक ब्रह्मांड का एक देर से बचा कोना

इसका मतलब है कि लगभग अछूती गैस में, ज़्यादातर विशाल तारों के साथ, तारा-निर्माण पहले तारों के प्रकट होने के बहुत बाद तक — और पुनः-आयनन युग (epoch of reionisation) के ख़त्म होने के बाद भी — संभव था।

बादल का रसायन इसका भी एक नमूना है कि उन विशाल, धातु-ग़रीब तारों ने फटने पर क्या पीछे छोड़ा: ऑक्सीजन से थोड़ा कम कार्बन, और ऑक्सीजन व सिलिकॉन अपने सौर अनुपात में। अपने आप में यह पैटर्न नहीं बता सकता कि वे तारे सचमुच पहली पीढ़ी के थे या शुरुआती दूसरी पीढ़ी के। लेकिन यह बाद के समय में मिले उन बादलों से मेल खाता है जिन्हें पिछले कामों ने पहली पीढ़ी के तारों के सिर्फ़ 1 से 30 सुपरनोवा तक ट्रेस किया था। लेखक सुझाते हैं कि 7 से कम रेडशिफ़्ट पर आदिम गैस के बचे-खुचे कोनों में पहले तारों के निशान ढूँढना, रेडशिफ़्ट 20 से परे बहुत पीछे देखने से ज़्यादा फलदायी हो सकता है।

मिल्की वे के पास की छोटी बौनी आकाशगंगाओं में कुछ बहुत पुराने, बहुत धातु-ग़रीब तारे यही रासायनिक छाप साझा करते हैं। लेखक कहते हैं कि यह “पूरी तरह संभव” है कि वे इस जैसी आकाशगंगाओं में जन्मे छोटे तारों के आख़िरी बचे हुए सदस्य हों।

किस्मत, या आम बात?

सिर्फ़ 30 क्वेसारों में ऐसा बादल मिलना हैरान करने वाला है। लेखक लिखते हैं कि जब तक सर्वेक्षण असाधारण रूप से भाग्यशाली न रहा हो, ऐसे और बादल मौजूदा स्पेक्ट्रा में छिपे हो सकते हैं, आरंभिक ब्रह्मांड के घने हाइड्रोजन अवशोषण में दबे हुए। भविष्य की विशाल दूरबीनें, जैसे एक्सट्रीमली लार्ज टेलीस्कोप, यूक्लिड मिशन द्वारा खोजे जाने वाले धुँधले क्वेसारों पर साधी जाकर पूरी गणना कर सकेंगी। फ़िलहाल UMP-DLA-1 एक अकेला पिंड है, जिसे इस मान्यता के तहत मापा गया है कि इसकी गैस एक ही खंड की तरह चलती है — एक मान्यता जिसका समर्थन लेखक संतृप्त अवशोषण रेखाओं की अनुपस्थिति से करते हैं।