Potentielle første spor af universets tidligste stjerner

De allerførste stjerner er sandsynligvis dannet, da universet kun var 100 millioner år gammelt, mindre end en procent af dets nuværende alder. Disse første stjerner - kendt som Population III - var så titanisk massive, at da de endte deres liv som supernovaer, rev de sig selv fra hinanden, så det interstellare rum med en karakteristisk blanding af tunge elementer. På trods af årtiers flittig søgning fra astronomer, har der dog ikke været nogen direkte beviser for disse urstjerner indtil nu.

Ved at analysere en af ​​de fjerneste kendte kvasarer ved hjælp af Gemini North-teleskopet, et af de to identiske teleskoper, der udgør International Gemini Observatory, drevet af NSF's NOIRLab, tror astronomerne nu, at de har identificeret restmaterialet fra eksplosionen af ​​en første- generationsstjerne. Ved at bruge en innovativ metode til at udlede de kemiske grundstoffer indeholdt i skyerne, der omgiver kvasaren, bemærkede de en meget usædvanlig sammensætning - materialet indeholdt over 10 gange mere jern end magnesium sammenlignet med forholdet mellem disse grundstoffer, der findes i vores sol.

Forskerne mener, at den mest sandsynlige forklaring på dette slående træk er, at materialet blev efterladt af en førstegenerationsstjerne, der eksploderede som en parustabil supernova. Disse bemærkelsesværdigt kraftfulde versioner af supernovaeksplosioner er aldrig blevet set, men er teoretiseret til at være slutningen på livet for gigantiske stjerner med masser mellem 150 og 250 gange solens.

Par-ustabile supernovaeksplosioner sker, når fotoner i midten af ​​en stjerne spontant bliver til elektroner og positroner - den positivt ladede antistof-modstykke til elektronen. Denne konvertering reducerer strålingstrykket inde i stjernen, hvilket tillader tyngdekraften at overvinde det og fører til kollaps og efterfølgende eksplosion.

I modsætning til andre supernovaer efterlader disse dramatiske begivenheder ingen stjernerester, såsom en neutronstjerne eller et sort hul, og i stedet skubber alt deres materiale ud i deres omgivelser. Der er kun to måder at finde bevis for dem på. Den første er at fange en parustabil supernova, mens den sker, hvilket er en højst usandsynlig hændelse. Den anden måde er at identificere deres kemiske signatur fra det materiale, de sender ud i det interstellare rum.

For deres forskning, nu offentliggjort i The Astrophysical Journal , studerede astronomerne resultater fra en tidligere observation taget af det 8,1 meter store Gemini North-teleskop ved hjælp af Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS). En spektrograf opdeler lyset, der udsendes af himmellegemer, i dets konstituerende bølgelængder, som bærer information om, hvilke elementer objekterne indeholder. Gemini er et af de få teleskoper af dens størrelse med passende udstyr til at udføre sådanne observationer.

At udlede mængden af ​​hvert element, der er til stede, er imidlertid en vanskelig bestræbelse, fordi lysstyrken af ​​en linje i et spektrum afhænger af mange andre faktorer udover elementets overflod.

To medforfattere til analysen, Yuzuru Yoshii og Hiroaki Sameshima fra University of Tokyo, har tacklet dette problem ved at udvikle en metode til at bruge intensiteten af ​​bølgelængder i et kvasarspektrum til at estimere mængden af ​​de tilstedeværende elementer der. Det var ved at bruge denne metode til at analysere kvasarens spektrum, at de og deres kolleger opdagede det iøjnefaldende lave magnesium-til-jern-forhold.

"Det var indlysende for mig, at supernovakandidaten til dette ville være en par-ustabil supernova af en Population III-stjerne, hvor hele stjernen eksploderer uden at efterlade nogen rest," sagde Yoshii. "Jeg var glad og noget overrasket over at opdage, at en parustabil supernova af en stjerne med en masse omkring 300 gange solens masse giver et forhold mellem magnesium og jern, der stemmer overens med den lave værdi, vi har udledt for kvasaren."

Søgninger efter kemiske beviser for en tidligere generation af højmassepopulation III-stjerner er blevet udført før blandt stjernerne i Mælkevejens glorie, og mindst én foreløbig identifikation blev præsenteret i 2014. Yoshii og hans kolleger mener dog, at nyt resultat giver den klareste signatur af en par-ustabil supernova baseret på det ekstremt lave magnesium-til-jern-overflodsforhold præsenteret i denne kvasar.

Hvis dette virkelig er bevis på en af ​​de første stjerner og for resterne af en parustabil supernova, vil denne opdagelse hjælpe med at udfylde vores billede af, hvordan stoffet i universet kom til at udvikle sig til, hvad det er i dag, inklusive os. For at teste denne fortolkning mere grundigt kræves der mange flere observationer for at se, om andre objekter har lignende egenskaber.

Men vi kan muligvis også finde de kemiske signaturer tættere på hjemmet. Selvom højmassepopulation III-stjerner alle ville være uddøde for længe siden, kan de kemiske fingeraftryk, de efterlader i deres udstødte materiale, vare meget længere og kan stadig blive ved i dag. Det betyder, at astronomer muligvis vil være i stand til at finde signaturerne af par-ustabile supernovaeksplosioner af for længst forsvundne stjerner, som stadig er præget på objekter i vores lokalunivers.

"Vi ved nu, hvad vi skal kigge efter; vi har en vej," sagde medforfatter Timothy Beers, en astronom ved University of Notre Dame. "Hvis dette skete lokalt i det meget tidlige univers, hvilket det burde have gjort, så ville vi forvente at finde beviser for det." + Udforsk yderligere

Tyngre stjerner eksploderer måske ikke som supernovaer, de imploderer bare stille og roligt ind i sorte huller