Astronomisch Nieuws

Mogelijk sporen van de eerste generatie sterren gevonden

De allereerste sterren ontstonden waarschijnlijk toen het heelal nog maar 100 miljoen jaar oud was. Deze stellaire objecten, bekend als Populatie III-sterren, waren zo massief dat ze, toen ze als supernova’s explodeerden, zichzelf uit elkaar scheurden en de interstellaire ruimte bezaaiden met een kenmerkende mix van zware elementen. Door analyse van ULAS J1342+0928, een van de verst bekende quasars, hebben astronomen nu het restmateriaal van de explosie van een ster van de eerste generatie geïdentificeerd.

Populatie III-sterren
Deze artist impressie toont een veld van Populatie III-sterren zoals die er 100 miljoen jaar na de Oerknal uit zouden hebben gezien. Credit: NOIRLab / NSF / AURA / J. da Silva / Spaceengine.

Ze hebben een hoogst ongebruikelijke samenstelling opgemerkt: het materiaal bevat meer dan 10 keer meer ijzer dan magnesium in vergelijking met de verhouding van deze elementen in onze Zon. Ze geloven dat de meest waarschijnlijke verklaring voor dit opvallende kenmerk is dat het materiaal werd achtergelaten door een ster van de eerste generatie die explodeerde als een zogenaamde paarinstabiliteit supernova.

Volgens de Oerknal-kosmologie produceert nucleosynthese geen zware elementen vanwege de snelle afname in dichtheid en temperatuur naarmate het heelal uitdijt. Dit heeft geleid tot een onmiddellijke interpretatie dat de zware elementen die in verschillende objecten in het heelal worden waargenomen worden gesynthetiseerd in het binnenste van massieve sterren en worden uitgeworpen door supernova’s.

Daarom zouden de eerste generatie stellaire objecten, Populatie III genaamd, massieve sterren moeten zijn die zijn ontstaan uit gas met een ongerepte samenstelling die bijna uitsluitend uit waterstof en helium bestaat.

Als de aanvankelijke massafunctie van de hypothetische Populatie III-sterren zich zou uitbreiden tot massa’s van slechts 1 zonsmassa dan zou hun levensduur net zo lang zijn als de leeftijd van ons sterrenstelsel en zouden ze overleven tot op de dag van vandaag en zouden we ze kunnen zien.

In tegenstelling tot de verwachting is er, ondanks de grote waarneeminspanningen die de afgelopen vier decennia zijn gedaan, nergens in ons sterrenstelsel gevonden zonder detecteerbare metalen.

Supernova-explosies met paarinstabiliteit vinden plaats wanneer er fotonen in het centrum van een ster spontaan veranderen in elektronen en positronen – de positief geladen antimaterie-tegenhanger van het elektron.

Deze omzetting vermindert de stralingsdruk in de ster waardoor de zwaartekracht deze kan overwinnen en kan leiden tot ineenstorting en daaropvolgende explosie van de ster.

In tegenstelling tot andere supernova’s laten deze dramatische gebeurtenissen geen stellaire overblijfselen achter, zoals een neutronenster of een zwart gat, en stoten ze in plaats daarvan al hun materiaal uit in de omgeving.

Er zijn maar twee manieren om er bewijs van te vinden. De eerste is om een supernova met paarinstabiliteit te vangen wanneer dit gebeurt, wat een hoogst onwaarschijnlijk toeval zou zijn. De andere manier is om hun chemische handtekening te identificeren aan de hand van het materiaal dat ze in de interstellaire ruimte gooien.

Voor hun onderzoek bestudeerden de auteurs de resultaten van een eerdere waarneming gedaan met de 8,1 meter Gemini-Noord telescoop en de Gemini Near-Infrared Spectrograpg (GNIRS).

Een spectrograaf splitst het licht dat door hemellichamen wordt uitgestraald op in zijn samenstellende golflengtes die informatie bevatten over welke elementen de objecten bevatten.

Het afleiden van de hoeveelheden van elk aanwezig element is echter een lastige onderneming omdat de helderheid van een lijn in een spectrum afhangt van vele andere factoren naast de hoeveelheid van het element.

Voor de onderzoekers was het duidelijk dat de supernova-kandidaat een supernova met paarinstabiliteit van een Populatie III-ster zou zijn, waarin de hele ster explodeert zonder een restant achter te laten.

Ze waren opgetogen en enigszins verrast toen ze ontdekten dat een supernova met paarinstabiliteit van een ster met een massa van ongeveer 300 zonsmassa een verhouding van magnesium tot ijzer oplevert die overeenkomt met de lage waarde die ze hebben afgeleid voor de quasar.

De resultaten van het team bieden de duidelijkste signatuur van een supernova met paarinstabiliteit, gebaseerd op de extreem lage magnesium-ijzer-abundantie verhouding die wordt gepresenteerd in ULAS J1342+0928.

Als dit inderdaad bewijs is van een van de eerste sterren en van de overblijfselen van een supernova met paarinstabiliteit zal deze ontdekking ons beeld helpen vullen van hoe de materie in het heelal is geëvolueerd tot wat het nu is, inclusief wijzelf.

De bevindingen van het team zijn gepubliceerd in het tijdschrift Astrophysical Journal.

Artikel: Y. Yoshii et al. 2022. Potential signature of Population III pair-instability supernova ejecta in the BLR gas of the most distant quasar at z = 7.54. ApJ, in press; doi: 10.3847/1538-4357/ac8163

Eerste publicatie: 28 september 2022
Bron: Sci-News