Földi kísérletben utánozták a csillagkeletkezést

A fizika többi ágával szemben a csillagászat egyik előnye az, hogy olyan körülmények között tanulmányozza az anyagot, melyek laboratóriumban nem valósíthatók meg. Néha azonban éppen földi kísérletek segítenek a csillagászoknak. Legutóbb a Danial Wolf Savin vezette nemzetközi elméleti-kísérleti munka vitt még közelebb a csillagok keletkezésének megértéséhez.

Amikor az atomok - körülbelül 380 ezer évvel az Ősrobbanás után - létrejöttek, véget ért az Univerzum sugárzási korszaka, átlátszóvá vált a Világegyetem. Hidrogénen, héliumon és minimális mennyiségű lítiumon kívül más kémiai elem akkor nem létezett. A periódusos rendszer többi elemét a csillagok állították elő, és juttatták a csillagközi térbe. Ez a folyamat nehéz elemekkel, szénnel, oxigénnel, magnéziummal stb. "szennyezte" be a még meglévő gázfelhőket, amelyekből az újabb csillagnemzedékek kialakultak. Eredeti, "tiszta, fémmentes" gázfelhők ma már nem léteznek a közelünkben (azaz 10 milliárd fényévnél közelebb), így nagyon nehéz megfigyelési adatot gyűjteni az első csillagok nyersanyagáról. Hogy milyen molekulaközi folyamatok játszódtak le a protogalaktikus felhőkben, azt a Columbia Egyetemen folyó új kutatások derítették fel.

A kulcsfolyamat a H^- + H ---> H₂ + e^- reakció, amelynek fontos szerepe van a gázfelhő hűtésében. A hűlés mértéke a felhő összehúzódása, és így az első csillagok kialakulása szempontjából fontos tényező, azonban ismerni kell hozzá a hidrogénmolekulát kialakító reakció paramétereit, egyensúlyi állandóját és annak hőmérsékletfüggését. A hiányzó paraméterek kiderítése céljából a kutatók egy mintegy 10 méter hosszúságú készüléken keresztül áramoltattak hidrogént, és vizsgálták az atom-ion reakciókat.

A berendezés első szakaszában történik a H^- nyaláb előállítása. Ezt a hidrogén-anion nyalábot a második szakaszban infravörös lézernyalábbal részlegesen semlegesítik, azaz a hidrogén-anionok mintegy 7,4 %-át alapállapotú, gerjesztetlen hidrogénatommá alakítják. A vegyes anion-atom nyaláb ezután a reakciókamrába kerül, ahol az anionokat váltakozó elektrosztatikus térrel, az atomokat pedig ki-be kapcsolt lézerfénnyel késztetik reakcióra. Az ezt követő detektáló szakaszban az újonnan létrejött hidrogénmolekulák héliumatomokkal ütközve elektront veszítenek [H₂ + He -> H₂⁺ + He + e^-]. Erre azért van szükség, mert a hidrogénmolekula-kation az energia-analizátorral könnyebben észlelhető, mint a hidrogénmolekula.

A kutatók a hidrogénmolekula-képződés hatékonyságát a kiindulási koncentrációk és a H^- - H relatív sebesség függvényében kapták meg. Az így nyert adatokkal már kielégítő modell tudtak felállítani a kutatók az elsődleges gázfelhők összehúzódására. A csoportban Simon Glover volt az a kozmológus, aki a csillagkeletkezés fizikájához is ért, és Savin volt az a fizikus, aki az idevágó kémiai reakciókban is otthon van. A reakció kimérése mellé szükség volt annak kiszámítására is, melyet egy cseh elméleti fizikus, Martin Cizek végzett el a prágai Károly Egyetemről.

Az adatok és a modell birtokában hozzá lehetett fogni az elsődleges csillagkeletkezés forgatókönyveinek elkészítéséhez, melynél a csillagászok a mindenütt jelen levő sötét anyag gravitációs hatását is figyelembe vették. A szimulációkkal elsősorban a kistömegű galaxiskezdemények sorsát akarták tisztázni a kutatók, mert azoknál remélhetők az első csillagok. Az egyik kérdés az, hogy melyik folyamat a gyorsabb: az adott tömegű gázfelhő lehűlése és benne a csillagok kialakulása, vagy pedig a gázfelhő ütközése egy másik galaxiskezdeménnyel. A pontosabb fizikai-kémiai adatokkal a kutatóknak sikerült az Univerzum első csillagai tömegének bizonytalanságát 2-re csökkenteni az eddigi 20-as faktorról.