De allereerste sterren werden waarschijnlijk gevormd toen het universum slechts 100 miljoen jaar oud was, minder dan één procent van de huidige leeftijd. Deze eerste sterren - bekend als Populatie III - waren zo gigantisch massief dat toen ze hun leven als supernova beëindigden, ze zichzelf uit elkaar scheurden en de interstellaire ruimte bezaaiden met een kenmerkende mix van zware elementen. Ondanks tientallen jaren van ijverig zoeken door astronomen, is er tot nu toe echter geen direct bewijs van deze oersterren.

Door een van de meest verre bekende quasars te analyseren met behulp van de Gemini North-telescoop, een van de twee identieke telescopen die deel uitmaken van het International Gemini Observatory, beheerd door NSF's NOIRLab, denken astronomen nu dat ze het overblijfsel hebben geïdentificeerd van de explosie van een eerste- generatie ster. Met behulp van een innovatieve methode om de chemische elementen in de wolken rond de quasar af te leiden, merkten ze een hoogst ongebruikelijke samenstelling op:het materiaal bevat meer dan 10 keer meer ijzer dan magnesium in vergelijking met de verhouding van deze elementen in onze zon.

De wetenschappers geloven dat de meest waarschijnlijke verklaring voor dit opvallende kenmerk is dat het materiaal werd achtergelaten door een ster van de eerste generatie die explodeerde als een supernova met instabiliteit van het paar. Deze opmerkelijk krachtige versies van supernova-explosies zijn nog nooit waargenomen, maar er wordt aangenomen dat ze het einde van het leven betekenen voor gigantische sterren met een massa tussen 150 en 250 keer die van de zon.

Supernova-explosies met paarinstabiliteit vinden plaats wanneer fotonen in het centrum van een ster spontaan veranderen in elektronen en positronen - de positief geladen antimaterie-tegenhanger van het elektron. Deze omzetting vermindert de stralingsdruk in de ster, waardoor de zwaartekracht deze kan overwinnen, wat leidt tot de ineenstorting en daaropvolgende explosie.

In tegenstelling tot andere supernova's laten deze dramatische gebeurtenissen geen stellaire overblijfselen achter, zoals een neutronenster of een zwart gat, en stoten ze in plaats daarvan al hun materiaal uit in hun omgeving. Er zijn maar twee manieren om er bewijs van te vinden. De eerste is om een ​​supernova met instabiliteit van het paar te vangen terwijl het gebeurt, wat een hoogst onwaarschijnlijk toeval is. De andere manier is om hun chemische handtekening te identificeren aan de hand van het materiaal dat ze in de interstellaire ruimte werpen.

Voor hun onderzoek, nu gepubliceerd in The Astrophysical Journal , bestudeerden de astronomen de resultaten van een eerdere waarneming gemaakt door de 8,1-meter Gemini North-telescoop met behulp van de Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS). Een spectrograaf splitst het door hemellichamen uitgestraalde licht op in zijn samenstellende golflengten, die informatie bevatten over welke elementen de objecten bevatten. Gemini is een van de weinige telescopen van zijn omvang met geschikte apparatuur om dergelijke waarnemingen uit te voeren.

Het afleiden van de hoeveelheden van elk aanwezig element is echter een lastige onderneming, omdat de helderheid van een lijn in een spectrum afhangt van veel andere factoren naast de overvloed van het element.

Twee co-auteurs van de analyse, Yuzuru Yoshii en Hiroaki Sameshima van de Universiteit van Tokio, hebben dit probleem aangepakt door een methode te ontwikkelen om de intensiteit van golflengten in een quasarspectrum te gebruiken om de overvloed aan de aanwezige elementen te schatten. Door deze methode te gebruiken om het spectrum van de quasar te analyseren, ontdekten zij en hun collega's de opvallend lage magnesium-ijzerverhouding.

"Het was voor mij duidelijk dat de supernova-kandidaat hiervoor een paar-instabiliteit supernova van een populatie III-ster zou zijn, waarin de hele ster explodeert zonder een overblijfsel achter te laten", zei Yoshii. "Ik was opgetogen en enigszins verrast toen ik ontdekte dat een supernova met paarinstabiliteit van een ster met een massa van ongeveer 300 keer die van de zon een magnesium-ijzerverhouding oplevert die overeenkomt met de lage waarde die we hebben afgeleid voor de quasar."

Er is al eerder gezocht naar chemisch bewijs voor een eerdere generatie van hoge-massa Populatie III-sterren tussen de sterren in de halo van de Melkweg en in 2014 werd ten minste één voorlopige identificatie gepresenteerd. Yoshii en zijn collega's denken echter dat de nieuw resultaat geeft de duidelijkste signatuur van een paar-instabiliteit supernova op basis van de extreem lage magnesium-ijzer-overvloedsverhouding die in deze quasar wordt gepresenteerd.

Als dit inderdaad het bewijs is van een van de eerste sterren en van de overblijfselen van een supernova met instabiliteit van een paar, zal deze ontdekking ons beeld helpen vullen van hoe de materie in het universum evolueerde tot wat het nu is, inclusief ons. Om deze interpretatie grondiger te testen, zijn veel meer waarnemingen nodig om te zien of andere objecten vergelijkbare kenmerken hebben.

Maar misschien kunnen we de chemische handtekeningen ook dichter bij huis vinden. Hoewel zware Populatie III-sterren allemaal lang geleden zouden zijn uitgestorven, kunnen de chemische vingerafdrukken die ze achterlaten in hun uitgestoten materiaal veel langer meegaan en kunnen ze vandaag de dag nog steeds aanwezig zijn. Dit betekent dat astronomen in staat zouden kunnen zijn om de handtekeningen te vinden van supernova-explosies met instabiele paren van lang vervlogen sterren die nog steeds zijn afgedrukt op objecten in ons plaatselijk universum.

"We weten nu waar we op moeten letten; we hebben een pad", zegt co-auteur Timothy Beers, een astronoom aan de Universiteit van Notre Dame. "Als dit plaatselijk in het zeer vroege heelal zou zijn gebeurd, wat het had moeten doen, dan zouden we er bewijs voor vinden." + Verder verkennen

Zwaardere sterren exploderen misschien niet als supernova, maar imploderen gewoon stilletjes in zwarte gaten