We weten niet hoe de eerste sterren in het heelal waren. Als we in de verre uithoeken van het vroege heelal kijken, hebben we slechts sporen van hun aanwezigheid gezien.
Maar een nieuwe bewijslijn, gespot in beelden van de James Webb Space Telescope, lijkt overeen te komen met een recent idee dat terrein wint: dat niet lang nadat de eerste sterren verschenen – zo niet met elkaar – het door fusie aangedreven warmteballen waren. en woede die absolute reuzen waren, met massa’s tot 10.000 zonnen.
“Vandaag geloven we, dankzij gegevens die zijn verzameld door de James-Webb Space Telescope, dat we een eerste aanwijzing hebben gevonden voor de aanwezigheid van deze buitengewone sterren”, zegt astrofysicus Corinne Charbonnel van de Universiteit van Genève in Zwitserland.
Het eerste stukje van deze puzzel is een soort groep sterren die een bolvormige sterrenhoop wordt genoemd. Deze zijn relatief overvloedig aanwezig in het lokale universum. Er zijn ongeveer 157 objecten gecategoriseerd als bolvormige sterrenhopen in ons Melkwegstelsel. Het zijn zeer dichte, bolvormige sterrenhopen met tussen de 100.000 en 1 miljoen sterren. En al deze sterren hebben zeer vergelijkbare chemische eigenschappen, wat suggereert dat ze rond dezelfde tijd zijn geboren, uit dezelfde gaswolk.
Ze bestaan ook vaak uit hele oude sterren op de deur van de dood. Astronomen beschouwen deze oude bolvormige sterrenhopen als “fossielen” van het vroege heelal en bestuderen ze om meer te weten te komen over de chemie van voorbije eeuwen.
Maar er is iets heel vreemds aan de hand met deze oudere bolvormige sterrenhopen. Ze laten chemische abundantieverhoudingen zien die van ster tot ster variëren en moeilijk te verklaren zijn: verrijking van helium, stikstof en natrium, en relatieve uitputting van koolstof en zuurstof.
De verklaring die het beste past bij deze hoeveelheden is de verbranding van waterstof bij extreem hoge temperaturen. In 2013 suggereerden onderzoekers dat een mogelijke manier om deze hoge temperaturen te bereiken, de kernen van massieve sterren zijn. Hele grote sterren. Overmaats zelfs, met ongeveer 10.000 zonsmassa’s, met veel hetere kernen en een veel hogere druk dan die van de sterren die we tegenwoordig om ons heen zien.
Charbonnel en haar collega Mark Gieles, voorheen aan de Universiteit van Surrey maar nu aan de Universiteit van Barcelona, Spanje, stelden in 2018 vast dat het mogelijk was dat de stellaire wind die door deze sterren werd uitgezonden, het interstellaire medium van bolvormige sterrenhopen “besmette”. met deze elementen. Ondertussen vulden aanhoudende botsingen met kleinere sterren de massa van de ster aan. Alle sterren die uit het besmette interstellaire materiaal zijn geboren, zouden de chemische overvloed erven die voortkwam uit superzware sterren in het vroege heelal.
Helaas zijn deze oude vervuilende sterren al lang dood, hun licht van nabije sterrenhopen is allang gedoofd.
“Globulaire sterrenhopen zijn tussen de 10 en 13 miljard jaar oud, terwijl supersterren een maximale levensduur hebben van twee miljoen jaar”, zegt Gieles. “Dus ze verdwenen heel vroeg uit de momenteel waarneembare clusters. Er zijn alleen indirecte sporen over.”
Is alles erg netjes en opgeruimd? maar er was meer observatiebewijs nodig. En toen ving JWST een glimp op van een melkwegstelsel ver, ver weg: GN-z11, slechts 440 miljoen jaar na de oerknal op de loer, waarvan het licht ons nu net bereikt na een reis van 13,3 miljard jaar door de uitdijende ruimte.
We kennen GN-z11 al een paar jaar, maar er was JWST voor nodig – de krachtigste ruimtetelescoop ooit gebouwd – om het lichtspectrum te analyseren dat het ons door ruimte en tijd stuurde.
Het bewijsmateriaal dat binnenkwam, bleek nogal vreemd te zijn. Het interstellaire medium van de GN-z11 is aanzienlijk verrijkt met stikstof in vergelijking met zuurstof, met een overvloedverhouding die meer dan vier keer zo groot is als die van de zon… vreemd, als het consistent is met de vorming van bolvormige sterrenhopen die astronomen hebben opgemerkt.
Charbonnel en haar collega’s voerden een grondige analyse en modellering uit en ontdekten dat gigantische sterren tussen 1.000 en 10.000 zonsmassa’s, gevormd door onverwachte botsingen van kleinere objecten, consistent de overvloedverhoudingen kunnen verklaren, niet alleen in bolvormige sterrenhopen, maar in GN-z11 als Goed.
“De sterke aanwezigheid van stikstof kan alleen worden verklaard door waterstofverbranding bij extreem hoge temperaturen, die alleen de kern van superzware sterren kunnen bereiken, zoals blijkt uit de modellen van Laura Ramirez-Galeano, een afgestudeerde student in onze groep”, zei Charbonnel. legt uit.
Het bewijs is verre van sluitend, maar het vertelt ons wel waar we meer informatie moeten zoeken. De onderzoekers hopen meer gegevens over vroege sterrenstelsels van JWST te krijgen, op zoek naar vergelijkbare aanwijzingen die ons kunnen helpen deze vroege chonkersterren te identificeren. Dit zou op zijn beurt kunnen helpen bij het oplossen van andere mysteries, zoals hoe superzware zwarte gaten in het vroege heelal werden gevormd en hoe de eerste sterren in het heelal eruit zagen.
“Als het scenario van superzware sterren kan worden bevestigd door toekomstige studies, zal dit een grote stap voorwaarts zijn in ons begrip van bolvormige sterrenhopen en superzware stervorming in het algemeen, met veel belangrijke implicaties”, schrijven de onderzoekers.
“Hoe dan ook, de vreemde eigenschappen van GN-z11 die zojuist door JWST zijn onthuld, vereisen verder onderzoek om de fysieke processen te begrijpen die plaatsvinden in zulke extreme objecten in het vroege heelal en hun mogelijke relatie met de vorming van bolvormige, superzware sterren, mogelijk ook superzwaar. onder andere zwarte gaten.”
Het onderzoek is gepubliceerd in Astronomie & Astrofysica.
