Ett internationellt lag av astronomer, varav Anton Vikeaus och Erik Zackrisson är från Uppsala universitet, har upptäckt den mest avlägsna stjärnan någonsin. Universums expansion gör att stjärnan ligger hissnande 28 miljarder ljusår bort. I bilder tagna med Hubble-teleskopet syns stjärnan såsom den såg ut för 12,8 miljarder år sedan, då universum var blott 900 miljoner år gammalt. Stjärnan har fått smeknamnet Earendel, fornengelska för morgonstjärna. 

Det var när doktoranden Brian Welch från The Johns Hopkins University i Baltimore, USA, sökte efter punktformade objekt i en Hubble-teleskopbild som han såg att där fanns något väldigt litet och väldigt kraftigt uppförstorat. Det är ett ovanligt sätt att hitta en extremt avlägsen stjärna på men denna råkade ligga precis där en gravitationslins i bilden förstorar upp bakomliggande objekt som mest. Samtidigt är den också väldigt stabilt ”linsad” och har gått att observera i flera år. Upptäckten blev nyligen publicerad i Nature. Se även pressmeddelandet från Uppsala universitet.

Hela området kring där Earendel är upptäckt. Stjärnan är utmärkt med en pil. Den ligger längs en båge av uppförstorat och förvrängt ljus från galaxen den ligger i; ”the Sunrise Arc galaxy”. Bild: NASA, ESA, B. Welch (JHU), D. Coe (STScI), A. Pagan (STScI)

Innan man kan gå in på Earendels natur behöver man förstå lite kring hur stjärnor utvecklas i universums historia. Stjärnor delas upp i tre stycken populationer som kort kallas för Pop I, Pop II, och Pop III. En slags helig graal i modern astronomi är att lyckas urskilja universums allra första stjärnor, Pop III-stjärnor. Vad som mätbart skiljer dessa populationer åt är hur stor andel grundämnen tyngre än väte och helium de har. Detta benämns som stjärnans metallhalt.

Solen och andra av dagens stjärnor tillhör Pop I. Det är stjärnor som innehåller en större andel tyngre grundämnen – en högre metallhalt – än de andra populationerna. Pop I är alltså de mest nyligen bildade stjärnorna, dock så är solen i sig ändå fem miljarder år gammal. Pop I-stjärnor är som regel relativt små, men därför också mycket långlivade jämfört med tidigare generationer av stjärnor.

Pop II-stjärnor har mycket lägre metallhalter. Dessa är vanligt förekommande i klotformade stjärnhopar som kretsar kring Vintergatans centrum. Solen och andra Pop I-stjärnor hittas istället i Vintergatans (och andra galaxers) skiva och spiralarmar.

Pop III-stjärnor är universums första stjärnor varav ingen har blivit hittad, ännu. Dessa tros ha varit mycket tunga och kortlivade.

– Så gott som noll metallhalt är vad som förväntas av Pop III-stjärnor. Enligt gamla teorier ska de ha varit upp till 1000 solmassor tunga [1000 gånger tyngre än solen], säger Erik Zackrisson, astronom vid Uppsala universitet som medverkade i Nature-artikeln.

Figur saxad från Nature-artikeln. Earendel är märkt med en grön stjärna och texten ”Lensed star”. Den röda linjen representerar var gravitationslinsens uppförstoring är som starkast enligt teoretiska modeller. Bild: B. Welch et al., 2022

Mycket avlägsna objekt har blivit observerade tidigare, t.ex. GN-z11, HD1 och HD2. Dessa har alla varit hela galaxer som består av miljarder stjärnor eller starkt lysande heta gaser kring gigantiska svarta hål. Någon enskild stjärna så här lång bort har alltså aldrig blivit observerad. Dock är det oklart vad Earendel är för slags stjärna. Hubble-teleskopet kan helt enkelt inte ge tillräckligt detaljerad information om den, varför gruppen har ansökt och fått tid med James Webb-teleskopet. Vad vet man då om Earendel?

– Man vet att det är en kompakt källa, det kan vara en, två eller tre stjärnor egentligen, men det vore otroligt om det var flera stjärnor som bidrar lika mycket. Det kan vara en som dominerar ljuset och då spelar det spelar det ingen roll egentligen, säger Erik.

Schematisk bild över en gravitationslins. Längst bort finns en galax. Ljuset från galaxen går förbi en galaxhop vars gravitation böjer ljuset och råkar fokusera det i riktning mot jorden där astronomer får se en förvriden, uppförstorad och ljusförstärkt bild av bakgrundsgalaxen runt galaxhopen som ligger i förgrunden. Bild: NASA, ESA & L. Calçada

Gruppens data säger med säkerhet att den inte tillhör en stjärnhop i alla fall. Stjärnan ligger i utkanten av en galax som syns tack vare att den är uppförstorad av en gravitationslins. Gravitationslinser har beskrivits tidigare i Populär Astronomi. Kortfattat fungerar de som så att eftersom ljus påverkas av gravitation, så finns det möjligheten för tunga objekt att böja av ljus som passerar dem på sådana vis att det blir som förstoringsglas i rymden. Astronomer på jorden har såklart ingen kontroll över dessa gigantiska ”förstoringsglas” eller var de fokuserar ljuset som passerar dem. Astronomer letar därför efter gravitationslinser som råkar fokusera ljus från intressanta bakomvarande objekt mot jorden, objekt som med dagens teleskop vore rent av omöjliga att se alls.

Stjärnan uppskattas ha en massa på 50 solmassor, men med väldigt stora felmarginaler. Går det att säga att Earendel är en Pop III-stjärna?

– Det vore kul, men jag tror inte det är så. Det är ett stort team så åsikterna varierar, men även jag som är en Pop III-person är skeptisk, säger Erik.

– Det finns inget bra sätt att mäta metallhalten på stjärnan med nuvarande data, men galaxen den ligger i har låg luminositet, låg massa och borde därför ha låg metallhalt enligt modellerna. Stjärnan ligger i galaxens yttre delar som är extra metallfattiga, i alla fall är det så i närliggande galaxer.

Konstnärlig illustration av universums första stjärnor, Pop III-stjärnor. Bild: NASA/WMAP Science Team

Erik beskriver tre stycken möjliga scenarier. Första scenariot är att det är en metallfattig stjärna i det tidigare universum som föreslaget. Mellanscenariot är att det är en tung stjärna som är halvt fattig på metaller. Det finns inte så många kända sådana stjärnor från det tidiga universum, så detta blir ändå ett bra testobjekt för framtida studier.

– Tråkscenariot är av det slaget att det är inte ett linsat objekt alls, utan ett lokalt objekt i Vintergatan som av en ren jävla slump ligger exakt på den platsen där man förväntar sig hög förstoring.

Detta scenario skulle bland annat kräva en röd dvärgstjärna i Vintergatans halo som rör sig på ett sådant vis att den har knappt någon märkbar rörelse på himlen. Annars kan röda dvärgar också uppvisa liknande kännetecken i teleskopen som en stjärna från när universum var 900 miljoner år gammalt gör.

Laget har fått mer tid med både Hubble och James Webb-teleskopen. James Webb-teleskopet kommer helt klart att se om det är en lokal stjärna eller ej. Förhoppningen är att många fler extremt avlägsna stjärnor kommer att urskiljas med James Webb och att Earendels natur blir klarlagd.