Massiv, Population III-stjärna i det tidiga universum. Denna konstnärs intryck visar ett fält av Population III-stjärnor som de skulle ha dykt upp bara 100 miljoner år efter Big Bang. Astronomer kan ha upptäckt de första tecknen på deras gamla kemiska kvarlevor i molnen som omger en av de mest avlägsna kvasarerna som någonsin upptäckts. Kredit:NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine
De allra första stjärnorna bildades troligen när universum bara var 100 miljoner år gammalt, mindre än en procent av dess nuvarande ålder. Dessa första stjärnor – kända som Population III – var så enormt massiva att när de slutade sina liv som supernovor slet de sönder sig själva och sådde interstellärt utrymme med en distinkt blandning av tunga element. Trots årtionden av idogt sökande av astronomer har det dock inte funnits några direkta bevis för dessa urstjärnor förrän nu.
Genom att analysera en av de mest avlägsna kända kvasarerna med hjälp av Gemini North-teleskopet, ett av de två identiska teleskop som utgör International Gemini Observatory, som drivs av NSF:s NOIRLab, tror astronomerna nu att de har identifierat restmaterialet från explosionen av en första- generationsstjärna. Genom att använda en innovativ metod för att härleda de kemiska grundämnena i molnen som omger kvasaren, märkte de en mycket ovanlig sammansättning – materialet innehöll över 10 gånger mer järn än magnesium jämfört med förhållandet mellan dessa grundämnen som finns i vår sol.
Forskarna tror att den mest troliga förklaringen till denna slående egenskap är att materialet lämnades kvar av en första generationens stjärna som exploderade som en parinstabil supernova. Dessa anmärkningsvärt kraftfulla versioner av supernovaexplosioner har aldrig bevittnats, men är teoretiserade att vara slutet på livet för gigantiska stjärnor med massor mellan 150 och 250 gånger solens.
Supernovaexplosioner med parinstabilitet inträffar när fotoner i mitten av en stjärna spontant förvandlas till elektroner och positroner - den positivt laddade antimateriamotsvarigheten till elektronen. Denna omvandling minskar strålningstrycket inuti stjärnan, vilket gör att gravitationen kan övervinna den och leder till kollapsen och efterföljande explosion.
Till skillnad från andra supernovor lämnar dessa dramatiska händelser inga stjärnrester, som en neutronstjärna eller ett svart hål, och skjuter istället ut allt sitt material i sin omgivning. Det finns bara två sätt att hitta bevis för dem. Den första är att fånga en parinstabil supernova när den händer, vilket är en högst osannolik händelse. Det andra sättet är att identifiera deras kemiska signatur från materialet de skjuter ut i det interstellära rymden.
För deras forskning, nu publicerad i The Astrophysical Journal , studerade astronomerna resultat från en tidigare observation som tagits av det 8,1 meter långa Gemini North-teleskopet med hjälp av Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS). En spektrograf delar upp ljuset som emitteras av himlaobjekt i dess ingående våglängder, som bär information om vilka element som objekten innehåller. Gemini är ett av få teleskop i sin storlek med lämplig utrustning för att utföra sådana observationer.
Det är dock svårt att härleda mängden av varje närvarande element eftersom ljusstyrkan hos en linje i ett spektrum beror på många andra faktorer förutom elementets överflöd.
Två medförfattare till analysen, Yuzuru Yoshii och Hiroaki Sameshima från University of Tokyo, har tagit itu med detta problem genom att utveckla en metod för att använda intensiteten av våglängder i ett kvasarspektrum för att uppskatta mängden av de element som finns där. Det var genom att använda denna metod för att analysera kvasarens spektrum som de och deras kollegor upptäckte det påfallande låga förhållandet mellan magnesium och järn.
"Det var uppenbart för mig att supernovakandidaten för detta skulle vara en parinstabil supernova av en Population III-stjärna, där hela stjärnan exploderar utan att lämna några rester bakom sig", sa Yoshii. "Jag blev glad och något förvånad när jag upptäckte att en parinstabil supernova av en stjärna med en massa som är ungefär 300 gånger solens massa ger ett förhållande mellan magnesium och järn som överensstämmer med det låga värdet vi härledde för kvasaren."
Sökningar efter kemiska bevis för en tidigare generation av Population III-stjärnor med hög massa har utförts tidigare bland stjärnorna i Vintergatans gloria och åtminstone en preliminär identifiering presenterades 2014. Yoshii och hans kollegor tror dock att nytt resultat ger den tydligaste signaturen för en parinstabil supernova baserat på det extremt låga magnesium-till-järnförhållandet som presenteras i denna kvasar.
Om detta verkligen är bevis på en av de första stjärnorna och resterna av en parinstabil supernova, kommer denna upptäckt att bidra till att fylla i vår bild av hur materien i universum kom att utvecklas till vad den är idag, inklusive oss. För att testa denna tolkning mer ingående krävs många fler observationer för att se om andra föremål har liknande egenskaper.
Men vi kanske kan hitta de kemiska signaturerna närmare hemmet också. Även om stjärnor i Population III med hög massa alla skulle ha dött ut för länge sedan, kan de kemiska fingeravtrycken som de lämnar efter sig i sitt utstötta material hålla mycket längre och kan fortfarande dröja kvar idag. Det betyder att astronomer kanske kan hitta signaturerna för parinstabila supernovaexplosioner av länge borta stjärnor som fortfarande finns inpräntade på objekt i vårt lokaluniversum.
"Vi vet nu vad vi ska leta efter; vi har en väg", säger medförfattaren Timothy Beers, en astronom vid University of Notre Dame. "Om detta hände lokalt i det mycket tidiga universum, vilket det borde ha gjort, då skulle vi förvänta oss att hitta bevis för det." + Utforska vidare
