När döende stjärnor tar sina sista andetag av livet, de strör försiktigt ut sin aska i kosmos genom de magnifika planetariska nebulosorna. Dessa askor, sprids via stjärnvindar, är berikade med många olika kemiska element, inklusive kol.

Resultat från en studie publicerad idag i Natur astronomi visa att dessa döende stjärnors sista andetag, kallade vita dvärgar, belysa kolets ursprung i Vintergatan.

"Fynden är nya, stränga begränsningar för hur och när kol producerades av stjärnor i vår galax, hamnar i det råmaterial som solen och dess planetsystem bildades av för 4,6 miljarder år sedan, " säger Jeffrey Cummings, en associerad forskare vid Johns Hopkins Universitys institution för fysik och astronomi och en författare på tidningen.

Ursprunget till kol, ett element som är nödvändigt för livet på jorden, i Vintergatan är galaxen fortfarande debatterad bland astrofysiker:vissa är för lågmassastjärnor som blåste av sina kolrika höljen av stjärnvindar blev vita dvärgar, och andra placerar den huvudsakliga platsen för kolsyntes i vindarna av massiva stjärnor som så småningom exploderade som supernovor.

Med hjälp av data från Keck Observatory nära toppen av vulkanen Mauna Kea på Hawaii som samlades in mellan augusti och september 2018, forskarna analyserade vita dvärgar som tillhör Vintergatans öppna stjärnhopar. Öppna stjärnhopar är grupper på upp till några tusen stjärnor som hålls samman av ömsesidig gravitationsattraktion.

Från denna analys, forskargruppen mätte de vita dvärgarnas massor, och med hjälp av teorin om stjärnutveckling, beräknade också deras massor vid födseln.

Kopplingen mellan födelsemassorna till de slutliga vita dvärgmassorna kallas initial-slutlig massförhållande, en grundläggande diagnostik inom astrofysik som innehåller stjärnors hela livscykler. Tidigare forskning fann alltid ett ökande linjärt samband:ju mer massiv stjärnan vid födseln, desto mer massiv lämnade den vita dvärgen vid sin död.

Men när Cummings och hans kollegor beräknade det initiala-slutliga massförhållandet, de blev chockade när de upptäckte att de vita dvärgarna från denna grupp av öppna kluster hade större massor än vad astrofysiker tidigare trodde. Denna upptäckt, de insåg, bröt den linjära trenden som andra studier alltid hittat. Med andra ord, stjärnor födda för ungefär 1 miljard år sedan i Vintergatan producerade inte vita dvärgar med cirka 0,60-0,65 solmassor, som det var vanligt att tro, men de dog och lämnade efter sig mer massiva rester av omkring 0,7—0,75 solmassor.

Forskarna säger att denna knäck i trenden förklarar hur kol från lågmassastjärnor tog sig in i Vintergatan. I de sista faserna av deras liv, stjärnor dubbelt så massiva som Vintergatans sol producerade nya kolatomer i deras varma inre, transporterade dem till ytan och spred dem slutligen till den omgivande interstellära miljön genom milda stjärnvindar. Forskargruppens stjärnmodeller indikerar att borttagningen av den kolrika yttre manteln skedde tillräckligt långsamt för att tillåta dessa stjärnors centrala kärnor, framtida vita dvärgar, att växa avsevärt i massa.

Teamet beräknade att stjärnor måste vara minst 1,5 solmassor för att sprida sin kolrika aska vid döden.

Resultaten, enligt Paola Marigo, en professor i fysik och astronomi vid universitetet i Padova och studiens första författare, hjälper forskare att förstå egenskaperna hos galaxer i universum. Genom att kombinera teorierna om kosmologi och stjärnutveckling, forskarna förväntar sig att ljusa kolrika stjärnor nära deras död, som förfäderna till de vita dvärgarna som analyserades i denna studie, för närvarande bidrar till ljuset som sänds ut av mycket avlägsna galaxer. Detta ljus, som bär signaturen av nyproducerat kol, samlas rutinmässigt in av de stora teleskopen från rymden och jorden för att undersöka utvecklingen av kosmiska strukturer. Därför, denna nya förståelse för hur kol syntetiseras i stjärnor innebär också att ha en mer pålitlig tolkare av ljuset från det avlägsna universum.