Flera hundra miljoner år efter Big Bang, de allra första stjärnorna blossade in i universum som massivt ljusa ansamlingar av väte och heliumgas. Inuti kärnorna av dessa första stjärnor, extrem, termonukleära reaktioner skapade de första tyngre grundämnena, inklusive kol, järn, och zink.

Dessa första stjärnor var sannolikt enorma, kortlivade eldklot, och forskare har antagit att de exploderade som liknande sfäriska supernovor.

Men nu har astronomer vid MIT och på andra håll funnit att dessa första stjärnor kan ha blåst isär i en kraftfullare, asymmetriskt mode, spyr ut jetstrålar som var tillräckligt våldsamma för att kasta ut tunga element i närliggande galaxer. Dessa element fungerade i slutändan som frön till den andra generationen av stjärnor, några av dem kan observeras än idag.

I en tidning som publicerades idag i Astrofysisk tidskrift , forskarna rapporterar ett starkt överflöd av zink i HE 1327-2326, en uråldrig, överlevande stjärna som är bland universums andra generation av stjärnor. De tror att stjärnan bara kunde ha fått en så stor mängd zink efter att en asymmetrisk explosion av en av de allra första stjärnorna hade berikat dess födelsegasmoln.

"När en stjärna exploderar, någon del av den stjärnan sugs in i ett svart hål som en dammsugare, säger Anna Frebel, en docent i fysik vid MIT och medlem av MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Bara när du har någon form av mekanism, som en jet som kan dra ut material, kan du observera det materialet senare i en nästa generations stjärna. Och vi tror att det är precis vad som kunde ha hänt här."

"Detta är det första observationsbeviset på att en sådan asymmetrisk supernova ägde rum i det tidiga universum, ", tillägger MIT postdoc Rana Ezzeddine, studiens huvudförfattare. "Detta förändrar vår förståelse av hur de första stjärnorna exploderade."

"Ett stänk av element"

HE 1327-2326 upptäcktes av Frebel 2005. Då, stjärnan var den mest metallfattiga stjärnan som någonsin observerats, vilket betyder att den hade extremt låga koncentrationer av grundämnen tyngre än väte och helium – en indikation på att den bildades som en del av den andra generationen av stjärnor, vid en tidpunkt då det mesta av universums tunga elementinnehåll ännu inte hade förfalskats.

"De första stjärnorna var så massiva att de var tvungna att explodera nästan omedelbart, " säger Frebel. "De mindre stjärnorna som bildades som den andra generationen är fortfarande tillgängliga idag, och de bevarar det tidiga materialet som lämnats efter av dessa första stjärnor. Vår stjärna har bara ett stänk av element tyngre än väte och helium, så vi vet att det måste ha bildats som en del av den andra generationen stjärnor."

I maj 2016, teamet kunde observera stjärnan som kretsar nära jorden, bara 5, 000 ljusår bort. Forskarna vann tid på NASA:s Hubble Space Telescope under två veckor, och registrerade stjärnljuset över flera banor. De använde ett instrument ombord på teleskopet, Cosmic Origins Spectrograph, för att mäta små mängder av olika element i stjärnan.

Spektrografen är designad med hög precision för att fånga upp svagt ultraviolett ljus. Vissa av dessa våglängder absorberas av vissa element, såsom zink. Forskarna gjorde en lista över tunga grundämnen som de misstänkte kunde finnas inom en så gammal stjärna, som de planerade att leta efter i UV-data, inklusive kisel, järn, fosfor, och zink.

"Jag minns att jag fick uppgifterna, och ser denna zinklinje dyka ut, och vi kunde inte tro det, så vi gjorde om analysen om och om igen, " Ezzeddine minns. "Vi upptäckte att oavsett hur vi mätte det, vi har ett riktigt starkt överflöd av zink."

En stjärnkanal öppnas

Frebel och Ezzeddine kontaktade sedan sina medarbetare i Japan, som är specialiserade på att utveckla simuleringar av supernovor och sekundära stjärnor som bildas i deras efterdyningar. Forskarna körde över 10, 000 simuleringar av supernovor, var och en med olika explosionsenergier, konfigurationer, och andra parametrar. De fann att medan de flesta av de sfäriska supernovasimuleringarna kunde producera en sekundär stjärna med de elementära sammansättningarna som forskarna observerade i HE 1327-2326, ingen av dem återgav zinksignalen.

Som det visar sig, den enda simuleringen som kunde förklara stjärnans smink, inklusive dess höga överflöd av zink, var en av en asfärisk, jet-utstötande supernova av en första stjärna. En sådan supernova skulle ha varit extremt explosiv, med en effekt som motsvarar ungefär en nonmiljon gånger (det är 10 med 30 nollor efter det) som en vätebomb.

"Vi fann att den här första supernovan var mycket mer energisk än folk har trott förut, ungefär fem till tio gånger mer, " säger Ezzeddine. "Faktiskt, den tidigare idén om existensen av en mörkare supernova för att förklara den andra generationens stjärnor kan snart behöva avvecklas."

Teamets resultat kan förändra forskarnas förståelse för återjonisering, en avgörande period under vilken gasen i universum förändrades från att vara helt neutral, att joniseras — ett tillstånd som gjorde det möjligt för galaxer att ta form.

"Folk trodde från tidiga observationer att de första stjärnorna inte var så ljusa eller energiska, och så när de exploderade, de skulle inte delta mycket i att återjonisera universum, " säger Frebel. "Vi korrigerar i viss mening den här bilden och visar, kanske de första stjärnorna fick tillräckligt med humör när de exploderade, och kanske nu är de starka utmanare för att bidra till återjonisering, och för att ha orsakat förödelse i sina egna små dvärggalaxer."

Dessa första supernovor kunde också ha varit tillräckligt kraftfulla för att skjuta tunga element in i angränsande "jungfrugalaxer" som ännu inte hade bildat några egna stjärnor.

"När du har några tunga grundämnen i en väte- och heliumgas, du har mycket lättare att bilda stjärnor, speciellt små, " säger Frebel. "Arbetshypotesen är, kanske andra generationens stjärnor av detta slag bildades i dessa förorenade jungfruliga system, och inte i samma system som själva supernovaexplosionen, vilket alltid är vad vi hade antagit, utan att tänka på något annat sätt. Så det här öppnar upp en ny kanal för tidig stjärnbildning."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.