Astronomen ontdekken verre gaswolken met restanten van de eerste sterren

Met behulp van de Very Large Telescope (VLT) van ESO hebben onderzoekers voor het eerst de vingerafdrukken gevonden die zijn achtergelaten door de explosies van de eerste sterren in het heelal. Ze hebben drie verre gaswolken ontdekt waarvan de chemische samenstelling overeenkomt met wat we van deze eerste sterexplosies verwachten. Deze bevindingen brengen ons een stap dichter bij het begrijpen van de aard van de eerste sterren die na de oerknal werden gevormd.

Chemische elementen in een verre gaswolk (een artistieke impressie ervan). Credit: ESO/L. Calçada, M. Kornmesser.

‘Voor de allereerste keer hebben we de chemische sporen kunnen identificeren van de explosies van de eerste sterren in zeer verre gaswolken’, zegt Andrea Saccardi, promovendus aan het Observatoire de Paris – PSL, die leiding gaf aan dit onderzoek tijdens zijn masterscriptie aan de Universiteit van Florence.

Onderzoekers denken dat de eerste sterren in het heelal heel anders waren dan de huidige. Toen ze 13,5 miljard jaar geleden op het kosmische toneel verschenen, bevatten ze alleen waterstof en helium, de eenvoudigste chemische elementen in de natuur ^[1]Minuten na de oerknal waren de drie lichtste elementen – waterstof, helium en lithium (de laatste in zeer geringe hoeveelheden) – de enige in het heelal. Zwaardere elementen zijn pas veel later … Lees verder. Deze sterren, waarvan wordt aangenomen dat ze tientallen of honderden keren zoveel massa hadden als onze zon, kwamen al snel aan hun einde bij hevige explosies die supernova’s worden genoemd. Daarbij verrijkten zij het omringende gas voor het eerst met zwaardere elementen. Uit dit verrijkte gas werden latere generaties sterren geboren, die op hun beurt ook weer zwaardere elementen uitstootten toen zij stierven. Maar de allereerste sterren zijn allang verdwenen, dus hoe kunnen onderzoekers dan meer over hen te weten komen? ‘Oersterren laten zich indirect onderzoeken door de chemische elementen te detecteren die zij na hun dood in hun omgeving hebben verspreid,’ zegt Stefania Salvadori, universitair hoofddocent aan de Universiteit van Florence en medeauteur van de studie die vandaag in The Astrophysical Journal is gepubliceerd.

Het meten van de chemische samenstelling van een gaswolk. Credit: ESO/L. Calçada

Aan de hand van gegevens die met ESO’s VLT in Chili zijn verzameld, heeft het team drie zeer verre gaswolken ontdekt, die we waarnemen op een moment dat het heelal nog maar tien tot vijftien procent van zijn huidige leeftijd had, en waarvan de chemische vingerafdrukken overeenkomen met wat astronomen van de explosies van de eerste sterren verwachten. Afhankelijk van de massa’s van deze vroege sterren en de energie van hun explosies, kwamen bij deze eerste supernova’s verschillende chemische elementen vrij, zoals koolstof, zuurstof en magnesium, die in de buitenste lagen van sterren voorkomen. Maar sommige van deze explosies waren niet krachtig genoeg om nog zwaardere elementen zoals ijzer, dat alleen in de kernen van sterren voorkomt, over hun omgeving te verspreiden. Omdat de aanwezigheid van ijzer in de resulterende gaswolken het moeilijk zou maken om er zeker van te zijn dat het materiaal echt ongerept was, zocht het team alleen naar verre gaswolken die arm zijn aan ijzer, maar rijk aan de overige elementen: de overblijfselen van de laagenergetische explosies. En met succes: ze vonden drie verre wolken in het vroege heelal met heel weinig ijzer, maar veel koolstof en andere elementen – de vingerafdruk van de explosies van de allereerste sterren.

Deze eigenaardige chemische samenstelling is ook waargenomen bij veel oude sterren in ons eigen Melkwegstelsel, die onderzoekers beschouwen als sterren van de tweede generatie die rechtstreeks uit de ‘as’ van de eerste zijn ontstaan. Bij het nieuwe onderzoek is zulke as opgespoord in het vroege heelal, en daarmee is een ontbrekend stukje aan de puzzel toegevoegd. ‘Onze ontdekking opent nieuwe wegen om indirect de aard van de eerste sterren te bestuderen, en vormt daarmee een belangrijke aanvulling op studies van sterren in ons Melkwegstelsel,’ legt Salvadori uit.

Om deze verre gaswolken op te sporen en te bestuderen, maakte het team gebruikt van kosmische lichtbakens die quasars worden genoemd. Dat zijn zeer heldere bronnen die worden aangedreven door superzware zwarte gaten in de centra van verre sterrenstelsels. Tijdens zijn reis door het heelal passeert het licht van een quasar gaswolken die elk hun eigen chemische vingerafdruk in het quasarlicht achterlaten.

Om deze chemische afdrukken op te sporen, analyseerde het team gegevens van verschillende quasars die zijn waargenomen met het X-shooter-instrument van de VLT. X-shooter splitst licht in een extreem breed scala van golflengten, oftewel kleuren, wat hem bij uitstek geschikt maakt voor het identificeren van tal van chemische elementen in verre gaswolken.

Dit onderzoek opent nieuwe vensters voor de volgende generatie telescopen en instrumenten, zoals ESO’s toekomstige Extremely Large Telescope (ELT) en diens hoge-resolutie ArmazoNes high Dispersion Echelle Spectrograph (ANDES). ‘Met ANDES op de ELT zullen we veel van deze zeldzame gaswolken in meer detail kunnen bestuderen, en eindelijk de geheimzinnige aard van de eerste sterren kunnen blootleggen,’ concludeert Valentina D’Odorico, onderzoeker aan het Nationaal Instituut voor Astrofysica in Italië en medeauteur van de studie. Bron: ESO.

Gerelateerde Astroblogs:

Astronomen ontdekken voor het eerst schijf rond ster in ander sterrenstelsel Ontbrekende schakel gevonden: supernovae brengen zwarte gaten of neutronensterren voort Baanbrekend onderzoek onthult geheimen van planeetgeboorte rond tientallen sterren