Enkele honderden miljoenen jaren na de oerknal, de allereerste sterren flitsten het heelal binnen als enorm heldere ophopingen van waterstof en heliumgas. Binnen de kernen van deze eerste sterren, extreem, thermonucleaire reacties smeedden de eerste zwaardere elementen, inclusief koolstof, ijzer, en zink.

Deze eerste sterren waren waarschijnlijk immens, kortstondige vuurballen, en wetenschappers hebben aangenomen dat ze als evenzo bolvormige supernova's explodeerden.

Maar nu hebben astronomen van het MIT en elders ontdekt dat deze eerste sterren mogelijk uit elkaar zijn geblazen in een krachtiger, asymmetrische mode, straalden stralen uit die gewelddadig genoeg waren om zware elementen in naburige sterrenstelsels uit te stoten. Deze elementen dienden uiteindelijk als zaden voor de tweede generatie sterren, waarvan sommige vandaag de dag nog steeds te zien zijn.

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschrift , de onderzoekers rapporteren een sterke overvloed aan zink in HE 1327-2326, een eeuwenoude, overlevende ster die tot de tweede generatie sterren van het universum behoort. Ze geloven dat de ster alleen zo'n grote hoeveelheid zink had kunnen krijgen nadat een asymmetrische explosie van een van de allereerste sterren zijn geboortegaswolk had verrijkt.

"Als een ster ontploft, een deel van die ster wordt als een stofzuiger in een zwart gat gezogen, " zegt Anna Frebel, een universitair hoofddocent natuurkunde aan het MIT en een lid van het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van MIT. "Alleen als je een soort mechanisme hebt, als een straaljager die materiaal kan wegrukken, kun je dat materiaal later in een ster van de volgende generatie waarnemen. En we geloven dat dat precies is wat hier had kunnen gebeuren."

"Dit is het eerste waarnemingsbewijs dat zo'n asymmetrische supernova plaatsvond in het vroege heelal, ", voegt MIT-postdoc Rana Ezzeddine toe, hoofdauteur van de studie. "Dit verandert ons begrip van hoe de eerste sterren explodeerden."

"Een snufje elementen"

HE 1327-2326 werd in 2005 ontdekt door Frebel. de ster was de meest metaalarme ster ooit waargenomen, wat betekent dat het extreem lage concentraties van elementen had die zwaarder zijn dan waterstof en helium - een indicatie dat het zich vormde als onderdeel van de tweede generatie sterren, in een tijd waarin het grootste deel van de inhoud van de zware elementen in het universum nog moest worden vervalst.

"De eerste sterren waren zo massief dat ze bijna onmiddellijk moesten exploderen, " zegt Frebel. "De kleinere sterren die zich als de tweede generatie hebben gevormd, zijn vandaag nog steeds beschikbaar, en ze behouden het vroege materiaal dat door deze eerste sterren is achtergelaten. Onze ster heeft slechts een straaltje elementen zwaarder dan waterstof en helium, dus we weten dat het gevormd moet zijn als onderdeel van de tweede generatie sterren."

In mei 2016, het team was in staat om de ster te observeren die dicht bij de aarde draait, slechts 5, 000 lichtjaren verwijderd. De onderzoekers wonnen meer dan twee weken tijd op NASA's Hubble Space Telescope, en registreerde het sterlicht over meerdere banen. Ze gebruikten een instrument aan boord van de telescoop, de kosmische oorsprongsspectrograaf, om de minuscule abundanties van verschillende elementen in de ster te meten.

De spectrograaf is ontworpen met hoge precisie om zwak ultraviolet licht op te vangen. Sommige van die golflengten worden geabsorbeerd door bepaalde elementen, zoals zink. De onderzoekers maakten een lijst van zware elementen waarvan ze vermoedden dat ze in zo'n oude ster zouden kunnen zitten. dat ze van plan waren te zoeken in de UV-gegevens, inclusief silicium, ijzer, fosfor, en zink.

"Ik herinner me dat ik de gegevens kreeg, en zien dat deze zinken lijn eruit springt, en we konden het niet geloven, dus we hebben de analyse keer op keer opnieuw gedaan, Ezzeddine herinnert zich. "We ontdekten dat, hoe we het ook gemeten hebben, we hebben deze echt sterke overvloed aan zink."

Er wordt een sterkanaal geopend

Frebel en Ezzeddine namen vervolgens contact op met hun medewerkers in Japan, die gespecialiseerd zijn in het ontwikkelen van simulaties van supernova's en de secundaire sterren die zich in hun nasleep vormen. De onderzoekers liepen meer dan 10, 000 simulaties van supernova's, elk met verschillende explosie-energieën, configuraties, en andere parameters. Ze ontdekten dat hoewel de meeste sferische supernova-simulaties een secundaire ster konden produceren met de elementaire composities die de onderzoekers in HE 1327-2326 hebben waargenomen, geen van hen reproduceerde het zinksignaal.

Zoals het blijkt, de enige simulatie die de samenstelling van de ster zou kunnen verklaren, inclusief de hoge overvloed aan zink, was een van een asferische, jet-uitstotende supernova van een eerste ster. Zo'n supernova zou extreem explosief zijn geweest, met een kracht gelijk aan ongeveer een nonillion keer (dat is 10 met 30 nullen erachter) die van een waterstofbom.

"We ontdekten dat deze eerste supernova veel energieker was dan mensen eerder dachten, ongeveer vijf tot tien keer meer, " zegt Ezzeddine. "In feite, het eerdere idee van het bestaan ​​​​van een dimmer-supernova om de sterren van de tweede generatie te verklaren, moet binnenkort misschien worden teruggetrokken."

De resultaten van het team kunnen het begrip van wetenschappers over reïonisatie veranderen, een cruciale periode waarin het gas in het universum veranderde van volledig neutraal, tot geïoniseerd - een toestand die het mogelijk maakte voor sterrenstelsels om vorm te krijgen.

"Mensen dachten op basis van vroege waarnemingen dat de eerste sterren niet zo helder of energiek waren, en dus toen ze ontploften, ze zouden niet veel deelnemen aan de reïonisatie van het universum, " zegt Frebel. "We zijn in zekere zin deze foto aan het corrigeren en laten zien, misschien hadden de eerste sterren genoeg kracht toen ze explodeerden, en misschien zijn ze nu sterke kanshebbers om bij te dragen aan reïonisatie, en voor het aanrichten van ravage in hun eigen kleine dwergstelsels."

Deze eerste supernova's zouden ook krachtig genoeg kunnen zijn om zware elementen in naburige "maagdelijke sterrenstelsels" te schieten die nog geen eigen sterren hadden gevormd.

"Als je eenmaal wat zware elementen in een waterstof- en heliumgas hebt, het is veel gemakkelijker om sterren te vormen, vooral kleintjes, " zegt Frebel. "De werkhypothese is, misschien zijn dit soort sterren van de tweede generatie gevormd in deze vervuilde maagdelijke systemen, en niet in hetzelfde systeem als de supernova-explosie zelf, dat is altijd wat we hadden aangenomen, zonder op een andere manier te denken. Dit opent dus een nieuw kanaal voor vroege stervorming."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.