En stjärna i utkanten av vår galax, Vintergatan, har visat sig innehålla en blandning av grundämnen som antyder att denna stjärna bildats av material från en särskild typ av supernova tidigt i universums historia. I en ny studie pekar en grupp astronomer från Kina, Japan och Australien på att detta kan lära oss mer om de första och tyngsta superjättestjärnorna i kosmos.
En stjärna ganska lik solen, här hemma i vår egen galax, verkar kunna säga oss något om en extrem typ av supernova som numera är sällsynt, men som troligen var vanligare i universums ungdom. Hur kan en stjärna som finns nu, under vår egen tid i universum, säga oss något om universums tidiga historia?
Fråga farmor hur det var förr
Låt oss jämföra med släktforskning. Vill vi veta något om våra döda släktingar kan vi t.ex. slå upp gammal folkbokföring eller läsa på gravstenar. I bästa fall hittar vi släktingar flera hundra år bakåt i tiden, men det kan vara mödosamt att leta och vi får inte alltid veta så mycket om varje person. Ett lättare sätt att börja släktforska kan vara att få tag på levande, äldre släktingar och be dem att berätta om döda släktingar längre bak i tiden.
Den första metoden (”läsa gravstenar”) motsvarar ungefär när James Webb-teleskopet spanar mot det synliga universums utmarker, långt tillbaka i kosmos historia. Vi kan då lära oss något om denna avlägsna tid, men får inte alltid veta alla detaljer. Den andra metoden (”fråga farmor”) har en grupp astronomer från Kina, Japan och Australien använt på stjärnan LAMOST J1010+2358 i stjärnbilden Lejonet.
Denna stjärna ligger ca 3000 ljusår från oss, i Vintergatans s.k. halo. I halon (utanför galaxens stjärntäta skiva, där solen ligger) är det glest mellan stjärnorna och bildandet av nya stjärnor upphörde för länge sedan. Den ganska närbelägna LAMOST J1010+2358 har avslöjat något intressant om det tidiga universum.
Äldre stjärnor, lägre metallhalt
En stjärna utvinner energi genom att slå samman lättare grundämnen till tyngre, t.ex. väte till helium. För stjärnorna med störst massa fungerar detta ända till järn, när ingen mer energi kan utvinnas. Dessa stjärnor exploderar då som supernovor och sprider nybildade, tunga grundämnen i kosmos. Även lättare stjärnor kan berika omgivningen med tunga grundämnen, fast på andra sätt. Varje ny stjärngeneration som bildas väntas därmed innehålla högre halter av tunga grundämnen än de äldre stjärngenerationerna.
Genom att sprida ut ljuset från en stjärna i ett spektrum kan vi undersöka stjärnans sammansättning. En stjärna med låga halter av tyngre grundämnen kan antas vara gammal. Från spektra av en stjärna i stjärnbilden Lilla vattenormen drog 2014 ett forskarlag under australiensisk ledning slutsatsen att denna stjärnas järnhalt var en trettonmiljontedel (eller mindre) än solens. Förmodligen bildades stjärnan för över 13,5 miljarder år sedan, alltså snart efter Stora smällen. Antagligen föregicks denna stjärna av endast en supernova, mycket tidigt i universums historia.
Varför är stjärnan speciell?
Stjärnan LAMOST J1010+2358 (eller, kortare, J1010) är inte extremt fattig på tunga grundämnen, men väckte astronomernas intresse av en annan orsak. Stjärnan J1010 uppmärksammades bland ca 400 stjärnor med låg metallhalt som identifierats med hjälp av teleskopet LAMOST i norra Kina. Ett spektrum av stjärnan togs 2015 med det japanska Subaru-teleskopet på Hawaii och ligger till grund för den nya studien, ledd av Qian-Fan Xing i Beijing och publicerad 7 juni 2023 i tidskriften Nature.
Solen och J1010 har ungefär samma yttemperatur (runt 6000 grader Celsius) och ungefär samma massa, men J1010 är betydligt äldre än solen: J1010 kan vara den äldsta stjärna som hittills hittats, säger Alexander Heger (en av studiens medförfattare) i ett pressmeddelande från Monash-universitetet. Alltså kan stjärnan vara över 13,5 miljarder år gammal. Järnhalten i J1010 (ca 1/250-del av solens) är långt ifrån den lägsta som uppmätts, men stjärnans mycket låga halter av natrium och barium är två saker som pekar på att den kan ha bildats av material från en extrem form av supernova i det tidiga universum.
Vilken typ av supernova ligger bakom?
Gasen som J1010 bildats ur har troligen berikats med grundämnen spridda från en numera sällsynt typ av supernova, menar studiens författare. Superjättestjärnorna i dagens kosmos har vanligen massor upp till något tiotal solmassor, medan det i universums barndom troligen var vanligt med stjärnor på hundratals solmassor. Dessa tidiga, extrema stjärnor kunde förmodligen explodera redan innan de börjat en stabil förbränning av syre. Detta kallas för en parinstabilitetsupernova (förkortas PISN) på grund av den fysik som ger upphov till supernovan.
Medan dagens superjättestjärnor lämnar en neutronstjärna eller ett svart hål efter sig när de exploderar antas en PISN helt utplåna stjärnan, utan att lämna något kvar. En PISN-smäll efter en stjärna med en massa på 260 gånger solens (!) kastar, enligt teoretiska modeller, ut en blandning av grundämnen som stämmer väl överens med den som Xing och kollegorna funnit i J1010. I sin studie försöker de även förklara sammansättningen hos J1010 med antagandet att stjärnan bildats ur material från en ”vanlig” supernova, utan att få modellerna att stämma med observationerna. Stjärnan J1010 verkar alltså ha fötts ur ett moln med material direkt från en PISN-smäll.
Har någon observerat en PISN direkt?
Stjärnan J1010 verkar bära spår från en PISN, men har någon PISN siktats i dagens universum? Svaret bli ett kraftfullt ”kanske”. En ny studie, ledd av forskaren Steve Schulze vid Fysikum på Stockholms universitet, pekar ut supernova 2018ibb som en stark kandidat till att vara en PISN. Studien, som skickats in till en vetenskaplig tidskrift, är hittills preliminärt publicerad.
Supernova 2018ibb är energirik, ljusstark och långvarig stjärnexplosion, i en galax 2 miljarder ljusår bort i stjärnbilden Floden. Detta ses, i sammanhanget, som en närbelägen galax i kosmisk nutid. Schulze och hans kollegor anser att 2018ibb stämmer in på flera av de egenskaper som teorierna anger för en PISN. Detta skulle i så fall vara den första PISN som bekräftats genom direkt observation, av de hittills ca 18 000 supernovor som fått sitt spektrum taget.
Mycket som var vanligt i farmors ungdom kan vara ovanligt idag, men går ibland att hitta om man letar ordentligt.
