Potensielle første spor av universets tidligste stjerner

De aller første stjernene ble sannsynligvis dannet da universet bare var 100 millioner år gammelt, mindre enn én prosent av dets nåværende alder. Disse første stjernene – kjent som Population III – var så titanisk massive at da de endte livene sine som supernovaer, rev de seg fra hverandre, og så det interstellare rom med en særegen blanding av tunge elementer. Til tross for flere tiår med flittig søk fra astronomer, har det imidlertid ikke vært noen direkte bevis på disse urstjernene før nå.

Ved å analysere en av de fjerneste kjente kvasarene ved hjelp av Gemini North-teleskopet, et av de to identiske teleskopene som utgjør International Gemini Observatory, operert av NSFs NOIRLab, tror astronomer nå at de har identifisert restmaterialet fra eksplosjonen av en første- generasjonsstjerne. Ved å bruke en innovativ metode for å utlede kjemiske elementer inneholdt i skyene som omgir kvasaren, la de merke til en høyst uvanlig sammensetning – materialet inneholdt over 10 ganger mer jern enn magnesium sammenlignet med forholdet mellom disse elementene som finnes i solen vår.

Forskerne mener at den mest sannsynlige forklaringen på denne slående egenskapen er at materialet ble etterlatt av en førstegenerasjonsstjerne som eksploderte som en parustabil supernova. Disse bemerkelsesverdig kraftige versjonene av supernovaeksplosjoner har aldri vært vitne til, men er teoretisert å være slutten på livet for gigantiske stjerner med masse mellom 150 og 250 ganger solens.

Supernovaeksplosjoner med par-ustabilitet skjer når fotoner i sentrum av en stjerne spontant blir til elektroner og positroner – den positivt ladede antimaterie-motstykket til elektronet. Denne konverteringen reduserer strålingstrykk inne i stjernen, slik at tyngdekraften kan overvinne den og fører til kollaps og påfølgende eksplosjon.

I motsetning til andre supernovaer, etterlater disse dramatiske hendelsene ingen stjernerester, for eksempel en nøytronstjerne eller et svart hull, og kaster i stedet alt materialet deres ut i omgivelsene. Det er bare to måter å finne bevis for dem på. Den første er å fange en parustabil supernova mens den skjer, noe som er en svært usannsynlig hendelse. Den andre måten er å identifisere deres kjemiske signatur fra materialet de sender ut i det interstellare rommet.

For deres forskning, nå publisert i The Astrophysical Journal, studerte astronomene resultater fra en tidligere observasjon tatt av det 8,1 meter lange Gemini North-teleskopet ved bruk av Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS). En spektrograf deler opp lyset som sendes ut av himmelobjekter inn i sine konstituerende bølgelengder, som bærer informasjon om hvilke elementer objektene inneholder. Gemini er et av få teleskoper av sin størrelse med egnet utstyr for å utføre slike observasjoner.

Å utlede mengden av hvert element som er tilstede, er imidlertid en vanskelig forsøke fordi lysstyrken til en linje i et spektrum avhenger av mange andre faktorer i tillegg til elementets overflod.

To medforfattere av analysen, Yuzuru Yoshii og Hiroaki Sameshima fra University of Tokyo, har taklet dette problemet ved å utvikle en metode for å bruke intensiteten til bølgelengder i et kvasarspektrum for å estimere mengden av elementene som er tilstede der. Det var ved å bruke denne metoden for å analysere kvasarens spektrum at de og deres kolleger oppdaget det påfallende lave magnesium-til-jern-forholdet.

“Det var åpenbart for meg at supernovakandidaten for dette ville være en parustabil supernova av en Population III-stjerne, der hele stjernen eksploderer uten å etterlate noen rest,” sa Yoshii. “Jeg var glad og litt overrasket over å finne at en par-ustabil supernova av en stjerne med en masse omtrent 300 ganger solens masse gir et forhold mellom magnesium og jern som stemmer overens med den lave verdien vi utledet for kvasaren.”

Søk etter kjemiske bevis for en tidligere generasjon av høymassepopulasjon III-stjerner har blitt utført tidligere blant stjernene i haloen til Melkeveien, og minst én foreløpig identifikasjon ble presentert i 2014. Yoshii og hans kolleger mener imidlertid at nytt resultat gir den klareste signaturen til en parustabil supernova basert på det ekstremt lave forholdet mellom magnesium og jern som presenteres i denne kvasaren.

Hvis dette virkelig er bevis på en av de første stjerner og av restene av en par-ustabil supernova, vil denne oppdagelsen bidra til å fylle ut vårt bilde av hvordan materien i universet kom til å utvikle seg til det den er i dag, inkludert oss. For å teste denne tolkningen mer grundig, kreves det mange flere observasjoner for å se om andre objekter har lignende egenskaper.

Men vi kan kanskje finne de kjemiske signaturene nærmere hjemmet også. Selv om høymassepopulasjon III-stjerner alle ville ha dødd ut for lenge siden, kan de kjemiske fingeravtrykkene de etterlater seg i det utstøpte materialet vare mye lenger og kan fortsatt henge i dag. Dette betyr at astronomer kan være i stand til å finne signaturene til par-ustabile supernovaeksplosjoner av lenge borte stjerner som fortsatt er prentet på objekter i vårt lokalunivers.

“Vi vet nå hva vi skal se etter; vi har en vei,” sa medforfatter Timothy Beers, en astronom ved University of Notre Dame. “Hvis dette skjedde lokalt i det veldig tidlige universet, noe det burde ha gjort, ville vi forvente å finne bevis for det.”

---

---