Eksplosioner af universets første stjerner udslyngede kraftige jetfly

Flere hundrede millioner år efter Big Bang, de allerførste stjerner blussede ind i universet som massivt klare ophobninger af brint og heliumgas. Inden i kernerne af disse første stjerner, ekstrem, termonukleare reaktioner skabte de første tungere grundstoffer, herunder kulstof, jern, og zink.

Disse første stjerner var sandsynligvis enorme, kortvarige ildkugler, og videnskabsmænd har antaget, at de eksploderede som lignende sfæriske supernovaer.

Men nu har astronomer ved MIT og andre steder fundet ud af, at disse første stjerner kan være sprunget fra hinanden i en mere kraftfuld, asymmetrisk mode, spyede jetfly ud, der var voldsomme nok til at skubbe tunge elementer ud i nabogalakser. Disse elementer tjente i sidste ende som frø til anden generation af stjerner, hvoraf nogle stadig kan observeres i dag.

I et papir offentliggjort i dag i Astrofysisk tidsskrift , forskerne rapporterer om en stærk overflod af zink i HE 1327-2326, en gammel, overlevende stjerne, der er blandt universets anden generation af stjerner. De mener, at stjernen kun kunne have erhvervet så stor en mængde zink, efter at en asymmetrisk eksplosion af en af ​​de allerførste stjerner havde beriget dens fødselsgassky.

"Når en stjerne eksploderer, en del af den stjerne bliver suget ind i et sort hul som en støvsuger, " siger Anna Frebel, en lektor i fysik ved MIT og medlem af MITs Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Kun når du har en form for mekanisme, som en jet, der kan trække materiale ud, kan du observere det materiale senere i en næste generations stjerne. Og vi tror, ​​det er præcis, hvad der kunne være sket her«.

"Dette er det første observationsbevis på, at en sådan asymmetrisk supernova fandt sted i det tidlige univers, " tilføjer MIT postdoc Rana Ezzeddine, undersøgelsens hovedforfatter. "Dette ændrer vores forståelse af, hvordan de første stjerner eksploderede."

"Et drys af elementer"

HE 1327-2326 blev opdaget af Frebel i 2005. På det tidspunkt, stjernen var den mest metalfattige stjerne, der nogensinde er observeret, hvilket betyder, at den havde ekstremt lave koncentrationer af grundstoffer, der var tungere end brint og helium - en indikation af, at den blev dannet som en del af anden generation af stjerner, på et tidspunkt, hvor det meste af universets indhold af tunge grundstoffer endnu ikke var smedet.

"De første stjerner var så massive, at de måtte eksplodere næsten øjeblikkeligt, " siger Frebel. "De mindre stjerner, der blev dannet som anden generation, er stadig tilgængelige i dag, og de bevarer det tidlige materiale efterladt af disse første stjerner. Vores stjerne har kun et drys af grundstoffer, der er tungere end brint og helium, så vi ved, at det må være dannet som en del af anden generation af stjerner."

I maj 2016 holdet var i stand til at observere stjernen, der kredser tæt på Jorden, kun 5, 000 lysår væk. Forskerne vandt tid på NASAs Hubble-rumteleskop over to uger, og optog stjernelyset over flere baner. De brugte et instrument ombord på teleskopet, Cosmic Origins Spectrograph, for at måle de små mængder af forskellige elementer i stjernen.

Spektrografen er designet med høj præcision til at opfange svagt ultraviolet lys. Nogle af disse bølgelængder absorberes af visse elementer, såsom zink. Forskerne lavede en liste over tunge grundstoffer, som de havde mistanke om kunne være i en så gammel stjerne, som de planlagde at lede efter i UV-dataene, inklusive silicium, jern, fosfor, og zink.

"Jeg kan huske, at jeg fik dataene, og ser denne zinklinje springe ud, og vi kunne ikke tro det, så vi lavede analysen om igen og igen, " Ezzeddine husker. "Vi fandt ud af, at uanset hvordan vi målte det, vi har denne virkelig stærke overflod af zink."

En stjernekanal åbnes

Frebel og Ezzeddine kontaktede derefter deres samarbejdspartnere i Japan, som har specialiseret sig i at udvikle simuleringer af supernovaer og de sekundære stjerner, der dannes i deres eftervirkninger. Forskerne løb over 10, 000 simuleringer af supernovaer, hver med forskellige eksplosionsenergier, konfigurationer, og andre parametre. De fandt ud af, at mens de fleste af de sfæriske supernova-simuleringer var i stand til at producere en sekundær stjerne med de elementære sammensætninger, som forskerne observerede i HE 1327-2326, ingen af ​​dem gengav zinksignalet.

Det viser sig, den eneste simulering, der kunne forklare stjernens makeup, inklusive dens høje overflod af zink, var en af ​​en asfærisk, jet-udsender supernova af en første stjerne. Sådan en supernova ville have været ekstremt eksplosiv, med en effekt svarende til omkring en nonillion gange (det er 10 med 30 nuller efter det) en brintbombe.

"Vi fandt ud af, at denne første supernova var meget mere energisk, end folk har troet før, omkring fem til ti gange mere, " siger Ezzeddine. "Faktisk, den tidligere idé om eksistensen af ​​en svagere supernova til at forklare andengenerationsstjernerne skal måske snart trækkes tilbage."

Holdets resultater kan ændre videnskabsmænds forståelse af reionisering, en afgørende periode, hvor gassen i universet ændrede sig fra at være fuldstændig neutral, til ioniseret - en tilstand, der gjorde det muligt for galakser at tage form.

"Folk troede fra tidlige observationer, at de første stjerner ikke var så lyse eller energiske, og så da de eksploderede, de ville ikke deltage meget i at reionisere universet, " siger Frebel. "Vi retter i en vis forstand dette billede og viser, måske fik de første stjerner nok humør, da de eksploderede, og måske er de nu stærke kandidater til at bidrage til reionisering, og for at lave kaos i deres egne små dværggalakser."

Disse første supernovaer kunne også have været kraftige nok til at skyde tunge grundstoffer ind i tilstødende "jomfrugalakser", der endnu ikke havde dannet deres egne stjerner.

"Når du har nogle tunge grundstoffer i en brint- og heliumgas, du har meget nemmere ved at danne stjerner, især små, " siger Frebel. "Arbejdshypotesen er, måske andengenerationsstjerner af denne art dannet i disse forurenede jomfrusystemer, og ikke i samme system som selve supernovaeksplosionen, hvilket altid er hvad vi havde antaget, uden at tænke på anden måde. Så dette åbner en ny kanal for tidlig stjernedannelse."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.