Vi måste prata om den mörka medeltiden. Nej, inte de där mörka åldrarna efter det västromerska rikets fall. Den kosmologiska mörka medeltiden. Tiden i vårt universum, miljarder år sedan, innan de första stjärnorna bildades. Och vi måste prata om den kosmiska gryningen:födelsen av de första stjärnorna, en tumultartad epok som helt omformade kosmos ansikte till dess moderna form.

De första stjärnorna kan ha varit helt olik allt vi ser i det nuvarande universum. Och vi kan, om vi har tur, vara på väg att se dem för första gången.

De första svarta hålen

Först måste vi skapa ett litet mysterium.

Vi vet alla vid det här laget hur svarta hål kommer till. En jättestjärna, någonstans norr om åtta gånger vår sols massa, lever sitt korta men förutsägbara liv, smälter samman väte till helium. Sedan tar det slut på väte och börjar smälta helium. Sedan tar det slut på helium och börjar bränna tyngre saker, tar sig upp i det periodiska systemet tills det träffar järn. Att smälta järn suger energi istället för att frigöra energi, och så ingenting kan stoppa stjärnans fruktansvärda gravitationskollaps. Allt pressas ner till en liten volym, och nu har du ett svart hål.

Med tiden kan det svarta hålet möta och konsumera andra svarta hål, eller bara dia på det omgivande interstellära materialet, ökar i biffighet hela tiden. Med tillräckligt med tid och tillräckligt med mat, det svarta hålet kan svälla och bli en jätte – en supermassiv jätte. Dessa varelser lurar i galaxernas hjärtan, och enkelt tippa vågen till en jättestor miljon gånger massan av vår sol.

Nytt material fortsätter att falla in – bara för att det svarta hålet är gigantiskt betyder det inte att hungern är mättad – och när gasen faller in i det svarta hålets gapande mage, den komprimeras och värms upp, lyser starkare än en galaxs värde av stjärnor. Detta objekt går under flera namn – kvasar, blazar, aktiv galaktisk kärna – men de betyder alla samma sak:ett gigantiskt svart hål föder.

Det är väl och bra och lite skrämmande, men här är ett problem. Vi ser kvasarer i det mycket avlägsna universum, vilket betyder att vi ser kvasarer i det mycket unga universum, när den inte ens var en miljard år gammal (ja, det är ungt för ett universum). Och processen jag just beskrev ovan (bildar stora stjärnor, låta dem leva och dö, skapa ett svart hål, att låta den matas till gigantiska proportioner) tar mycket längre tid än en miljard år.

Hur producerade vårt universum monstersvarta hål så snabbt?

Fossiler av en gammal tid

Om den vanliga stjärnan-> svart hål-> kvasarrutten verkar inte fungera i det tidiga universum, det är dags att överväga alternativ. Genvägar. Snabbare vägar för att skapa de stora svarta hål som våra observationer kräver finns. Och det snabbaste sättet att göra ett supermassivt svart hål är att börja med en supermassiv stjärna.

Hur supermassiv? Vad sägs om 100, 000 solmassor, är det tillräckligt stort för dig?

Sådana stjärnor finns helt enkelt inte i dagens universum. Om du försöker packa ihop allt det där till en tillräckligt kompakt volym för att förvandla den till en stjärna, interaktioner och instabilitet kommer att splittra den som så mycket smula kakdeg i dina händer, bildar massor av normala stjärnor istället för en enda monster. Det är därför vi tror att stjärnor över 100 solmassor är, medan det är möjligt, ytterst sällsynt idag.

Men eran av den kosmiska gryningen var en annan tid. För en, inga tunga grundämnen existerade ännu – kärnsmedjorna hade inte varit i drift tillräckligt länge för att förorena de interstellära vattenvägarna. Strålning från de extra elementen är ett utmärkt sätt att kyla ner ett gasmoln och utlösa dess fragmentering i mindre bitar. Andra, det unga kosmos översvämmades av högenergisk ultraviolett strålning från andras plötsliga födelse, mindre stjärnor. Denna strålning bryter isär molekylärt väte, en annan nyckelväg för att kyla ner och fragmentera ett gigantiskt gasmoln.

Så även om det är sällsynt, förhållanden kan ha varit precis lagom i slutet av den kosmiska mörka tidsåldern för att bilda gigantiska och till och med superjättar:tillräckligt mycket material kunde ha flödat in i en tillräckligt liten volym utan att splittras, föder en stor stjärna.

Dessa jättestjärnor skulle ha haft korta liv och kollapsat direkt för att bilda stora svarta hål, genväg den vanliga vägen till att göra kvasarer.

Den kosmiska gryningen bryter

Det här låter som en bra idé, men inom vetenskapen måste stora idéer konfronteras med bevisen innan vi kan börja tro på dem. I detta fall, det skulle vara ganska praktiskt att ha ett fotografi av en av dessa gigantiska stjärnor innan de förvandlades till svarta hål och sedan till kvasarer.

Det är tufft, fastän, eftersom åldern när dessa stjärnor levde och dog är långt borta från oss. Och dessa stjärnor, medan den fortfarande är jätte med stjärnmått, var väldigt små, vilket gör dem ännu svårare att upptäcka på dessa extrema avstånd.

Men för en gångs skull får vi kanske en tur. Nya simuleringar av dessa konstiga stjärnor avslöjar att de är förvånansvärt coola, har en yttemperatur någonstans mellan 6, 000-8000 Kelvin, ger deras ytor ett intensivt rött sken. Och på grund av deras otroliga volym, de är väldigt ljusa, sprängfylld av ljus med en intensitet av tio miljarder solar. Denna kombination av ren ljusstyrka och djup rödhet gör att de potentiellt är synliga i infraröda våglängder för vissa kommande uppdrag.

Uppdrag som rymdteleskopet James Webb, ett instrument speciellt utformat för att gå på jakt efter de första stjärnorna. Om superjättestjärnor funnits i dessa länge svunna epoker, och om några av dem hade turen att överleva in i en era där deras bröder redan började förvandlas till monstersvarta hål, sätta dem lite närmare i sikte, det finns en chans att vi kan ta deras bild direkt.

Vilken syn det skulle vara.