Na vele jaren zoeken – Mogelijke eerste sporen van de vroegste sterren van het heelal ontdekt

Enorme populatie III-ster in het vroege heelal

Deze artist’s impression toont een veld met populatie III-sterren zoals ze er slechts 100 miljoen jaar na de oerknal uit zouden hebben gezien. Astronomen hebben misschien de eerste tekenen van hun oude chemische overblijfselen ontdekt in de wolken rond een van de meest verre quasars die ooit zijn gedetecteerd. Krediet: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine

Bewijs van een ster van de eerste generatie die stierf in een „super-supernova“-explosie wordt ontdekt door Gemini’s observatie van een verre quasar.

De oude chemische overblijfselen van de eerste sterren die het universum verlichtten, zijn mogelijk gevonden door astronomen. De onderzoekers ontdekten een ongebruikelijke verhouding van elementen die, naar hun mening, alleen afkomstig konden zijn van het puin dat werd geproduceerd door de allesverslindende explosie van een ster van de eerste generatie met 300 zonnemassa’s, met behulp van een innovatieve analyse van een verre quasar waargenomen door de 8.1- meter Gemini North-telescoop op Hawai’i, geëxploiteerd door het NOIRLab van de National Science Foundation.

De vroegste sterren zijn hoogstwaarschijnlijk gevormd toen het heelal amper 100 miljoen jaar oud was, of minder dan één procent van zijn huidige leeftijd. Deze vroege sterren, bekend als Populatie III, waren zo kolossaal groot dat ze, toen ze stierven als supernova, zichzelf uit elkaar scheurden en een unieke mix van zware elementen door de interstellaire ruimte verspreidden. Ondanks het vele jaren zorgvuldige onderzoek van astronomen, is er tot nu toe geen sluitend bewijs voor deze oude sterren.

Astronomen geloven nu dat ze de overblijfselen van de explosie van een ster van de eerste generatie hebben ontdekt na bestudering van een van de meest verre bekende quasars met behulp van de Gemini North-telescoop, een van de twee identieke telescopen die deel uitmaken van het International Gemini Observatory. Ze ontdekten een zeer ongebruikelijke samenstelling door een innovatieve methode te gebruiken om de chemische elementen in de wolken rond de quasar te bepalen – het materiaal bevatte bijna 10 keer meer ijzer dan magnesium in vergelijking met de verhouding van deze elementen die we in onze zon zien.

Stap voor stap verhaal om mogelijke eerste sporen van de vroegste sterren van het heelal te vinden

Het stapsgewijze verhaal over hoe astronomen de oude chemische overblijfselen hebben ontdekt van de eerste sterren die het heelal verlichtten. Krediet: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine

De wetenschappers 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 supernova met instabiliteit van het paar. Deze opmerkelijk krachtige versies van supernova-explosies zijn nog nooit waargenomen, maar er wordt aangenomen dat ze het einde van hun leven betekenen voor gigantische sterren met een massa tussen 150 en 250 keer die van de zon.

Supernova-explosies met paarinstabiliteit vinden plaats wanneer fotonen in het centrum van een ster spontaan veranderen in elektronen en positronen – de positief geladen antimaterie-tegenhanger van het elektron. Deze conversie vermindert de stralingsdruk in de ster, waardoor de zwaartekracht deze kan overwinnen en tot de ineenstorting en daaropvolgende explosie leidt.

In tegenstelling tot andere supernova’s laten deze dramatische gebeurtenissen geen sterresten achter, zoals a[{“ attribute=““>neutron star or a

Astronomen hebben misschien de oude chemische overblijfselen ontdekt van de eerste sterren die het heelal verlichtten. Met behulp van een innovatieve analyse van een verre quasar, waargenomen door de 8,1-meter Gemini North-telescoop op Hawaï, die wordt beheerd door NSF’s NOIRLab, vonden de wetenschappers een ongebruikelijke verhouding van elementen die, volgens hen, alleen afkomstig konden zijn van het puin geproduceerd door de al -verslindende explosie van een ster van de eerste generatie met 300 zonnemassa’s. Credits: afbeeldingen en video’s: PROGRAMMA/NOIRLab/NSF/AURA, S. Brunier/Digitized Sky Survey 2, E. Slawik, J. Pollard Beeldverwerking: TA Rector (University of Alaska Anchorage/NSF’s NOIRLab), M. Zamani (NSF’s ) NOIRLab) & D. de Martin (NSF’s NOIRLab) Muziek: Stellardrone – Airglow

Voor hun onderzoek bestudeerden de astronomen de resultaten van een eerdere waarneming gemaakt door de 8,1-meter Gemini North-telescoop met behulp van de Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS). Een spectrograaf splitst het door hemellichamen uitgestraalde licht op in zijn samenstellende golflengten, die informatie bevatten over welke elementen de objecten bevatten. Gemini is een van de weinige telescopen van zijn omvang met geschikte apparatuur om dergelijke waarnemingen uit te voeren.

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 overvloed van het element.

Twee co-auteurs van de analyse, Yuzuru Yoshii en Hiroaki Sameshima van de Universiteit van Tokio, hebben dit probleem aangepakt door een methode te ontwikkelen om de intensiteit van golflengten in een quasarspectrum te gebruiken om de overvloed aan de aanwezige elementen te schatten. Door deze methode te gebruiken om het spectrum van de quasar te analyseren, ontdekten zij en hun collega’s de opvallend lage magnesium-ijzerverhouding.

„Het was voor mij duidelijk dat de supernova-kandidaat hiervoor een paar-instabiliteit-supernova van een populatie III-ster zou zijn, waarin de hele ster explodeert zonder een overblijfsel achter te laten“, zei Yoshii. „Ik was opgetogen en enigszins verrast toen ik ontdekte dat een supernova met paarinstabiliteit van een ster met een massa van ongeveer 300 keer die van de zon een verhouding van magnesium tot ijzer oplevert die overeenkomt met de lage waarde die we hebben afgeleid voor de quasar.“

Er is eerder gezocht naar chemisch bewijs voor een vorige generatie van hoge-massa Populatie III-sterren tussen de sterren in de halo van de[{“ attribute=““>Milky Way and at least one tentative identification was presented in 2014. Yoshii and his colleagues, however, think the new result provides the clearest signature of a pair-instability supernova based on the extremely low magnesium-to-iron abundance ratio presented in this quasar.

If this is indeed evidence of one of the first stars and of the remains of a pair-instability supernova, this discovery will help to fill in our picture of how the matter in the Universe came to evolve into what it is today, including us. To test this interpretation more thoroughly, many more observations are required to see if other objects have similar characteristics.

But we may be able to find the chemical signatures closer to home, too. Although high-mass Population III stars would all have died out long ago, the chemical fingerprints they leave behind in their ejected material can last much longer and may still linger on today. This means that astronomers might be able to find the signatures of pair-instability supernova explosions of long-gone stars still imprinted on objects in our local Universe.

“We now know what to look for; we have a pathway,” said co-author Timothy Beers, an astronomer at the University of Notre Dame. “If this happened locally in the very early Universe, which it should have done, then we would expect to find evidence for it.”

Reference: “Potential Signature of Population III Pair-instability Supernova Ejecta in the BLR Gas of the Most Distant Quasar at z = 7.54*” by Yuzuru Yoshii, Hiroaki Sameshima, Takuji Tsujimoto, Toshikazu Shigeyama, Timothy C. Beers and Bruce A. Peterson, 28 September 2022, The Astrophysical Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac8163

The study was funded by the National Science Foundation. 

Kommentar verfassen

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert