महास्फोटानंतर 1 अब्ज वर्षांनी, जवळजवळ कार्बन नसलेली एक दीर्घिका

महास्फोटानंतर लगेच, सामान्य पदार्थ जवळजवळ फक्त हायड्रोजन आणि हेलियम होता. प्रत्येक जड मूलद्रव्य — कार्बन, ऑक्सिजन, लोह — नंतर ताऱ्यांच्या आत तयार झाले, आणि त्यांच्या स्फोटांमुळे विखुरले गेले.

तारे कसे जन्मतात यासाठी हे महत्त्वाचे आहे. आकुंचन पावणारा वायुमेघ लहान होताना तापतो, आणि ताऱ्यांमध्ये विभागण्यासाठी त्याला ती उष्णता बाहेर टाकावी लागते. आजच्या विश्वात बहुतेक थंड करण्याचे काम कार्बन आणि ऑक्सिजनचे आयन करतात, आणि मेघ सर्व आकारांच्या ताऱ्यांमध्ये विभागले जातात, त्यांपैकी बरेच सूर्यापेक्षा लहान. ही मूलद्रव्ये नसताना, पहिले मेघ फक्त हायड्रोजन रेणूंद्वारेच थंड होऊ शकत होते. ते मोठ्या तुकड्यांमध्ये फुटले, आणि त्यांनी बनवलेले तारे बहुतांशी प्रचंड वस्तुमानाचे होते.

“सामान्य” तारानिर्मितीकडे वळण्यासाठी किती कार्बन आणि ऑक्सिजन लागतो? अगदी थोडा: सूर्यातील प्रमाणाच्या सुमारे 1/3,000. ही मर्यादा इतक्या वेगाने ओलांडली गेली की आतापर्यंत चमकताना पाहिलेली प्रत्येक दूरची दीर्घिका, जेम्स वेब अवकाश दुर्बिणीने पाहिलेल्या दीर्घिकांसह, दिसण्याइतकी तेजस्वी होईपर्यंत या मर्यादेच्या कितीतरी वर गेलेली असते.

क्वेसारच्या प्रकाशात मेघ वाचणे

आदिम वायू शोधण्याचा आणखी एक मार्ग आहे: त्याच्या मागे असलेल्या अधिक तेजस्वी वस्तूचा प्रकाश त्याला शोषू द्यायचा. हायडेलबर्ग विद्यापीठाच्या सारा बोसमन, मॅक्स प्लांक इन्स्टिट्यूट फॉर ॲस्ट्रॉनॉमीचे फ्रेडरिक डेव्हिस आणि 23 सहकारी 4.5 ते 5.5 दरम्यानच्या रेडशिफ्टवरील 30 सर्वात तेजस्वी क्वेसार्सचे सर्वेक्षण GHOST द्वारे करत आहेत. हा वर्णपटमापक 2024 मध्ये चिलीमधील जेमिनी साउथ दुर्बिणीवर बसवला गेला, आणि त्यांच्या वर्णनानुसार आजवर बनवलेला सर्वात संवेदनशील उच्च-विभेदन वर्णपटमापक आहे.

क्वेसार J1941−4500 चा प्रकाश उदासीन हायड्रोजनच्या एका दाट मेघातून जातो — एक “डॅम्प्ड लायमन-अल्फा शोषक” (damped Lyman-alpha absorber), अशा प्रकारचा वायुसाठा जो दीर्घिकेच्या तारानिर्मिती प्रदेशांपासून काही किलोपार्सेक अंतराच्या आत असतो असे मानले जाते. मेघातील प्रत्येक मूलद्रव्य आपल्या स्वतःच्या तरंगलांबींवर प्रकाश शोषते. 5.8 तासांच्या एक्सपोजरनंतर संघ सिलिकॉन, ऑक्सिजन आणि कार्बन मोजू शकला; लोह अजिबात आढळले नाही.

आजवरचा सर्वात मूळ स्वरूपातील मेघ

UMP-DLA-1 नाव दिलेला हा मेघ 5.14 रेडशिफ्टवर आहे, म्हणजे महास्फोटानंतर सुमारे 1.1 अब्ज वर्षांनी. त्याचे आकडे:

कार्बन: हायड्रोजनच्या तुलनेत सूर्यापेक्षा 11,000 पट कमी (सर्वात अलीकडच्या सौर संदर्भानुसार सुमारे 16,000 पट कमी).
ऑक्सिजन आणि सिलिकॉन: सूर्यापेक्षा सुमारे 5,000 पट कमी.
याआधी माहीत असलेल्या अशा कोणत्याही मेघापेक्षा हा ऑक्सिजन आणि सिलिकॉनमध्ये तिपटीहून अधिक, आणि कार्बनमध्ये चारपट दरिद्री आहे. लोहामध्येही तो सर्वात दरिद्री आहे.
हेलियमपेक्षा जड मूलद्रव्यांचा एकूण वस्तुमान अंश: दशलक्षांश 3.16.

लेखक कार्बन आणि ऑक्सिजन एकाच संख्येत एकत्र करतात, “संक्रमण विभेदक” (transition discriminant), जी मेघ पुरेसा थंड होऊ शकेल का याचे भाकीत करते:

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

−3.5 च्या खाली, मेघ सुमारे एका सौर वस्तुमानापेक्षा लहान ताऱ्यांमध्ये कोसळू शकत नाही. UMP-DLA-1 −3.85 वर आहे. या रेषेखाली सापडलेला हा पहिलाच वायुसाठा आहे — त्यामुळे केवळ त्याचे कमी धातू-प्रमाणच हमी देते की त्याचे तारे बहुतांशी जड होते.

आरंभीच्या विश्वाचा एक उशिरा उरलेला कप्पा

याचा अर्थ असा की जवळजवळ अस्पर्शित वायूमध्ये, बहुतांशी प्रचंड ताऱ्यांसह, तारानिर्मिती पहिले तारे दिसल्यानंतर बराच काळ — आणि पुनर्आयनीकरण युग संपल्यानंतरही — शक्य होती.

मेघाचे रसायनशास्त्र हे त्या प्रचंड, धातु-दरिद्री ताऱ्यांनी स्फोट होताना मागे सोडलेल्या गोष्टींचा एक नमुनाही आहे: ऑक्सिजनपेक्षा किंचित कमी कार्बन, आणि सौर प्रमाणातील ऑक्सिजन व सिलिकॉन. केवळ या नमुन्यावरून, ते तारे खरोखर पहिल्या पिढीचे होते की आरंभीच्या दुसऱ्या पिढीचे, हे सांगता येत नाही. पण तो नंतरच्या काळात सापडलेल्या अशा मेघांशी जुळतो, ज्यांचा उगम आधीच्या कामाने पहिल्या पिढीतील ताऱ्यांच्या फक्त 1 ते 30 सुपरनोव्हांपर्यंत शोधला होता. लेखक सुचवतात की पहिल्या ताऱ्यांच्या खुणा शोधण्यासाठी, 20 रेडशिफ्टच्या पलीकडे खूप मागे पाहण्यापेक्षा, 7 पेक्षा कमी रेडशिफ्टवर उरलेल्या मूळ वायूच्या कप्प्यांमध्ये शोध घेणे अधिक फलदायी ठरू शकते.

आकाशगंगेजवळच्या लहान बटू दीर्घिकांमधील काही अतिशय जुने, अतिशय दरिद्री तारे हीच रासायनिक खूण बाळगतात. लेखक म्हणतात की अशा दीर्घिकेत जन्मलेल्या लहान ताऱ्यांपैकी ते शेवटचे वाचलेले असणे “पूर्णपणे शक्य” आहे.

नशीब, की सामान्य?

फक्त 30 क्वेसार्समध्ये असा मेघ सापडणे आश्चर्यकारक आहे. सर्वेक्षणाला असाधारण नशीब लाभले नसेल, तर, लेखक लिहितात, असे आणखी मेघ अस्तित्वात असलेल्या वर्णपटांमध्ये, आरंभीच्या विश्वाच्या दाट हायड्रोजन शोषणात गाडलेले, लपलेले असू शकतात. एक्स्ट्रीमली लार्ज टेलिस्कोपसारख्या भविष्यातील महाकाय दुर्बिणी, युक्लिड मोहीम शोधणार असलेल्या अंधुक क्वेसार्सकडे वळवल्या, तर संपूर्ण गणना करू शकतील. सध्या UMP-DLA-1 ही एकच वस्तू आहे, जी तिचा वायू एकाच गठ्ठ्यासारखा हलतो या गृहितकावर मोजली गेली आहे — लेखक संपृक्त शोषण रेषांच्या अनुपस्थितीने या गृहितकाला आधार देतात.