En kosmisk tidsmaskin upptäckt i en dvärggalax
Forskare har hittat ett anmärkningsvärt objekt i en dvärggalax vars kemiska sammansättning påminner om förhållandena från universums första miljarder år efter Big Bang. Stjärnan innehåller så få tunga grundämnen att den erbjuder ett unikt fönster in i det tidiga universum.
Astronomerna stötte på objektet i en liten, svagt lysande dvärggalax. Den kemiska sammansättningen är så fattig på grundämnen tyngre än väte och helium att den nästan speglar förhållandena kort efter universums födelse.
Sådana objekt fungerar som tidskapselutrustning för forskare — de bevarar information om miljön från miljarder år sedan. Tack vare den extremt låga metalliciteten ger studiet av en sådan stjärna en inblick i den period då de första stjärngenerationerna just höll på att bildas. Upptäckten bekräftar att vissa dvärgalaxer fungerar som kosmiska frysar som under miljarder år har bevarat primitivt material nästan oförändrat.
Forskargruppen publicerade detaljerade analyser i den ansedda vetenskapliga tidskriften Nature Astronomy. Forskarna understryker att liknande upptäckter bidrar till förståelsen av hur det tidiga universum såg ut och vilka processer som ledde till att det interstellära rummet berikas med tyngre grundämnen.
Var astronomerna upptäckte stjärnan PicII-503
Objektet har fått beteckningen PicII-503 och befinner sig i dvärggalaxen Pictor II, som ligger cirka 149 000 ljusår från jorden. Det handlar om en så kallad ultrasvag dvärggalax — ett mycket litet och mycket svagt system med förvånansvärt gamla stjärnor.
Sådana galaxer utgör ideal terräng för astronomer som söker efter spår av de äldsta stjärnpopulationerna. Under miljarder år har de bevarat primitivt material praktiskt taget oförändrat, eftersom det bara har förekommit minimal nybildning av stjärnor i dem. PicII-503 fångade omedelbart forskarnas uppmärksamhet när forskarna exakt mätte dess kemiska sammansättning.
Pictor II hör till de galaxer som kretsar runt Vintergatan som satelliter. Forskare från universitet i Australien och USA använde spektrografer på stora teleskop i Chile för observationerna. Mätningarna avslöjade extremt låga metallhalter i stjärnans atmosfär.
Varför PicII-503 innehåller så få tunga grundämnen
Den största överraskningen var de uppmätta värdena för den så kallade metalliciteten — det vill säga innehållet av grundämnen tyngre än väte och helium. Inom astronomin används beteckningen ”metaller” för hela denna grupp, oavsett om det handlar om syre, järn eller kalcium.
Stjärnan PicII-503 uppvisar dessa extrema värden:
- Bara 1/43 000 av solens järnhalt
- Extraordinärt låg kalciumhalt i atmosfären
- Nästan inga spår av tyngre grundämnen bildade i supernovor
- Kemisk sammansättning motsvarande universums tidiga faser
- Metallicitetsvärden nära teoretiska modeller för de första stjärnorna
- Frånvaro av grundämnen skapade genom upprepade kärnreaktioner
Grundämnen tyngre än helium bildas inne i stjärnor genom kärnreaktioner eller vid supernovaexplosioner. När en stjärna exploderar sprider den dessa grundämnen ut i det interstellära rummet och berikar materialet för kommande generationer. PicII-503 uppstod emellertid från material som bara hade genomgått minimal berikning.
Forskarna förklarar att en sådan stjärna måste ha bildats mycket tidigt efter Big Bang, då det bara fanns mycket få tunga grundämnen i universum. Varje ny stjärngeneration innehåller allt fler metaller eftersom den formas av material berikat av föregående generationer.
Hur dvärgalaxer bevarar primitiva stjärnor
Ultrasvaga dvärgalaxer fungerar som en sorts kosmiska frysar. De rymmer en liten mängd material och deras tyngdkraft är inte stark nog för att hålla kvar den gas som supernovor kastar ut. Därför stannade bildningen av nya stjärnor i dem mycket snabbt av.
Det betyder att man i sådana galaxer kan hitta stjärnor som uppstod under universums första miljarder år och vars omgivande miljö sedan dess nästan inte har förändrats. Pictor II är ett typiskt exempel på ett sådant system med en population av mycket gamla stjärnor.
Forskarna uppskattar att det material som PicII-503 bildades av sannolikt bara berikades av en enda supernova från den allra första stjärngenerationen. Astronomer kallar sådana stjärnor för Population III och ingen av dem har ännu observerats direkt. PicII-503 ger därmed indirekta bevis för egenskaperna hos dessa hypotetiska objekt.
Varför denna upptäckt är viktig för vetenskapen
PicII-503 håller på att bli ett av de mest extrema exemplen på en tidig stjärngeneration som är känd utanför Vintergatan. Forskare har hittills bara upptäckt en handfull liknande objekt och de flesta av dem befinner sig i vår egen galax.
Upptäckten i dvärgalaxen bevisar att ultrasvaga satellitsystem faktiskt bevarar stjärnor med primitiv kemisk sammansättning. Forskarna planerar nu att systematiskt genomsöka andra dvärgalaxer runt Vintergatan med hjälp av moderna spektrografer.
Dessa observationer kommer att hjälpa astronomer att bättre förstå hur universum berikades med tunga grundämnen under de första miljarderna år. Varje ny stjärna med extremt låg metallicitet förfinar modellerna för det tidiga universum och processerna bakom bildningen av de första stjärngenerationerna.
Vad framtida undersökningar av liknande objekt kommer att ge
Forskargruppen planerar att fortsätta de spektroskopiska observationerna av andra stjärnor i galaxen Pictor II samt i övriga ultrasvaga dvärgalaxer. Moderna teleskop i Chile och på Hawaii gör det möjligt att inhämta detaljerade spektra även från mycket svaga objekt.
Forskarna hoppas kunna upptäcka ytterligare stjärnor med motsvarande extrem kemisk sammansättning. Varje nytt objekt kommer att bidra med data om förhållandena i det tidiga universum och hjälpa till att testa teoretiska modeller för de första stjärnornas bildning. Kanske kommer det till och med att lyckas hitta stjärnor med en ännu lägre metallicitet än PicII-503.
Tänker du någonsin på vilka hemligheter som döljer sig i stjärnor som har skint i miljarder år och minns en tid då universum såg helt annorlunda ut än idag?
