Een studie toont aan dat de meest massieve sterren in de laatste stadia van hun leven die zijn die het interstellaire medium besmetten met nieuwe chemische elementen. die aanleiding geven tot opeenvolgende generaties van sterren in deze 'astronomische fossielen'.

Bolvormige sterrenhopen zijn zwermen van ongeveer een miljoen sterren die door hun zwaartekrachtsveld aan elkaar zijn gebonden en ruwweg bolvormig zijn verdeeld, die zijn gevormd uit een enkele wolk van interstellair gas en stof. Omdat hun leeftijden dicht bij die van het universum zelf liggen, ze worden beschouwd als echte "astronomische fossielen" omdat ze informatie bevatten over de chemische samenstelling en de evolutie van sterrenstelsels uit het tijdperk van hun oorsprong. In deze cluster worden sterren van verschillende grootte gevormd, en door de meest massieve sterren te observeren die nog steeds bestaan, kunnen we de leeftijd van de cluster bepalen. Maar sinds zo'n twintig jaar geleden weten we dat er verschillende generaties sterren zijn in een enkele cluster. En de oorsprong van deze opeenvolgende generaties was tot nu toe onduidelijk.

Het vakblad De astrofysische journaalbrieven publiceert vandaag een studie van een internationaal team, waaraan het Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) heeft deelgenomen, die dit mysterie over de vorming en evolutie van bolvormige sterrenhopen in het vroege heelal oplost. Volgens deze studie ligt de sleutel in de meest massieve, geëvolueerde AGB-sterren (asymptotische reuzentak). Dit is het eerste bewijs dat deze sterren een fundamentele rol spelen bij de besmetting van het interstellaire medium, waaruit opeenvolgende generaties sterren zijn gevormd.

Paolo Ventura, astronoom van het Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) en eerste auteur van het artikel, noemde het belang van de AGB-sterren tijdens zijn recente verblijf bij de IAC als gastonderzoeker bij Severo Ochoa, gedurende die tijd werkten ze aan de studie die vandaag werd gepubliceerd. "Tot nu", legt Aníbal García-Hernández uit, onderzoeker bij de IAC en de tweede auteur van het artikel, "Er waren verschillende soorten sterren voorbereid als kandidaten:superzware sterren, snel roterende massieve sterren, enorme interactieve binaire bestanden, en massieve AGB-sterren. Met dit onderzoek wordt het debat afgesloten over welke sterren dit proces veroorzaken, en lost een van de opmerkelijke onbekenden in de vorming en evolutie van bolhopen op", concludeert hij.

"De volgende stap", legt Flavia Dell'Agli uit, die onlangs als postdoctoraal onderzoeker bij het IAC is gekomen, en wie is de derde auteur van het artikel, "zal de systematische analyse zijn van alle bolhopen op het noordelijk halfrond die al zijn waargenomen in het APOGEE-project, evenals de grote aantallen van deze systemen die zullen worden waargenomen, vanaf volgend voorjaar, op het zuidelijk halfrond in APOGEE-2".

De rol van de AGB-sterren

historisch, bolvormige sterrenhopen zijn gebruikt als laboratoria voor het bestuderen van stellaire evolutie, omdat men dacht dat alle sterren in een bolvormige sterrenhoop op hetzelfde moment zijn gevormd en dus dezelfde leeftijd hebben. Sinds een paar decennia geleden is het echter bekend dat bijna alle bolhopen verschillende stellaire populaties bevatten. In de eerste generatie de chemische abundanties, bijvoorbeeld die van elementen zoals aluminium en magnesium, tonen de samenstelling van het oorspronkelijke interstellaire (of intra-cluster) medium. In de korte tijd (astronomisch gezien) van slechts 500 miljoen jaar is het medium vervuild en uit dit medium wordt de tweede generatie sterren gevormd. Onderzoekers denken dat enkele van de meest massieve sterren van de eerste generatie de zware elementen in hun binnenste produceren en vernietigen ("nucleosynthese") en door snel massaverlies het interstellaire medium besmetten waar de tweede generatie sterren zich vervolgens met verschillende chemische abundanties vormt. Maar welke sterren zijn verantwoordelijk voor dit fenomeen?

Onderzoekers vermoedden de meest massieve AGB-sterren (asymptotische reuzentak), die tussen de vier en acht keer de massa van de zon hebben, en nu heeft deze studie het vermoeden bevestigd. Om dit te doen, gebruikten ze observaties van de abundanties van magnesium en aluminium die zijn waargenomen door de internationale samenwerking Sloan Digital Sky Survey (SDSS-III) en specifiek onderzoek APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment) in combinatie met theoretische modellen van nucleosynthese in AGB-sterren. Ze waren in staat om voor het eerst de anticorrelatie (een relatie waarin wanneer de ene hoeveelheid groeit, de andere afneemt) tussen de twee elementen in vijf bolvormige clusters met zeer verschillende metalliciteiten (totale hoeveelheden metalen) te reproduceren.

De productie van aluminium en de vernietiging van magnesium in het binnenste van sterren is erg gevoelig voor hun temperatuur en algehele metalliciteit, dus bieden ze een goede diagnose om de aard van de vervuilende sterren te onthullen. Hoe hoger de temperatuur in de zone waar deze elementen vandaan komen, de basis van de convectiezone in de ster, hoe meer aluminium er wordt geproduceerd en hoe meer magnesium wordt vernietigd. Ook is bekend dat de temperatuur in deze zone stijgt wanneer de totale hoeveelheid metalen in de ster daalt. In massieve AGB-sterren worden verschillende soorten van deze anticorrelaties verwacht:bij een zeer lage metalliciteit verwachten we meer aluminium en meer vernietiging van magnesium, en bij hogere metalliciteit, precies het tegenovergestelde. Deze variaties in de anticorrelaties zijn precies wat wordt waargenomen in de bolvormige sterrenhopen, en komt zeer goed overeen met de theoretische voorspellingen voor massieve AGB-sterren, die deze elementen in hun interieur produceren, en werp ze dan uit tijdens een fase van extreem snel massaverlies.