En stjerne i Melkeveien viser seg å være den reneste, eldgamle stjernen astronomene så langt har funnet. Det betyr at den i uvanlig stor grad har unngått å bli «forurenset» av tyngre grunnstoffer som først ble dannet etter at de første stjernene hadde rukket å leve og dø. Forskere omtaler den som et slags fossilt minne fra universets barndom.
Stjernen heter SDSS J0715-7334. Den var opprinnelig en lavmassestjerne, ikke helt ulik Solen, men har nå forlatt hovedserien og blitt en rød kjempe på vei mot slutten av livet. Nettopp fordi den har overlevd så lenge, kan den fortelle mye om kjemien i de aller tidligste epokene.
– Disse nesten urørte stjernene er vinduer inn i daggryet for stjerner og galakser i universet, sier kosmolog Alexander Ji ved University of Chicago, som ledet forskningen.
Hvorfor «metaller» betyr så mye
Etter Big Bang var universet i lang tid fylt av en varm og tett blanding av partikler, der lys hadde vanskelig for å slippe gjennom. Da universet etter hvert kjølte seg ned, kunne protoner og elektroner binde seg sammen til nøytralt hydrogen, med litt helium. Fra tette klumper av dette nesten rene hydrogenet og heliumet oppstod de første stjernene.
Tyngre grunnstoffer enn helium var i liten grad spredd i universet før disse første stjernene døde. Inne i stjerner dannes nye grunnstoffer ved fusjon, der lettere atomkjerner smelter sammen til tyngre. Denne prosessen bygger gradvis opp grunnstoffer, men stopper i praksis ved jern, fordi videre fusjon krever mer energi enn den frigjør. Enda tyngre grunnstoffer dannes først og fremst i voldsomme supernovaeksplosjoner når massive stjerner dør. Da kastes nyproduserte grunnstoffer ut i rommet og kan bli en del av gassen som senere danner nye stjerner.
I astronomi kalles alle grunnstoffer tyngre enn helium for metaller. Alle stjerner man har målt har hatt en viss andel slike metaller, men noen har ekstremt lite. Særlig interessante er stjerner med så lavt metallinnhold at de sannsynligvis kun kan være «beriket» av de aller første stjernene.
– Ingen stjerner fra den aller første generasjonen er noen gang observert, enten fordi de var massive, levde raskt og døde unge, eller fordi de få som kunne ha overlevd til i dag, er ekstremt sjeldne, forklarer astronomen Kevin Schlaufman ved Johns Hopkins University.
– Uansett er egenskapene til denne første stjernegenerasjonen blant de viktigste ubesvarte spørsmålene i moderne astrofysikk.
Oppdaget nesten ved en tilfeldighet
SDSS J0715-7334 ble oppdaget da Ji og studenter lette etter interessante stjerner i data fra Sloan Digital Sky Survey. På den første kvelden med teleskopobservasjoner var dette den andre stjernen studentene undersøkte. Planen var å bruke ti minutter, men i stedet endte de med å observere i tre timer.
– Jeg fulgte med på kameraet hele natten for å være sikker på at det faktisk fungerte, sier astronomen Natalie Orrantia, en av studentene som deltok.
Nesten bare hydrogen og helium
Nærmere analyser viste at stjernen nesten bare består av hydrogen og helium. Metallinnholdet er beregnet til kun 0,005 prosent av Solens, og omtrent halvparten av nivået til den tidligere rekordholderen blant ekstremt metallfattige stjerner.
Forskerne fant bare spor av jern i spekteret. Samlet sett er stjernens metallinnhold langt lavere enn hos andre kjente jernfattige stjerner. Det som overrasket mest, var likevel et uventet lavt innhold av karbon.
– Stjernen har så lite karbon at det tyder på at en tidlig «drysning» av kosmisk støv kan ha vært avgjørende for at den ble dannet. Denne dannelsesveien er bare sett én gang tidligere, sier Ji.
Kan ha blitt til ved hjelp av støv
Vanligvis trenger gass enkelte grunnstoffer, som karbon eller oksygen, for å kjøle seg effektivt nok ned til å kollapse og danne stjerner. De aller første stjernene antas å ha vært avhengige av kjøling via hydrogenmolekyler, som er mindre effektivt. Da karbon senere ble tilgjengelig i større grad, ble det en svært viktig «kjøler» i stjernedannelse.
Det svært lave karboninnholdet i SDSS J0715-7334 peker ikke mot den helt tidlige mekanismen der nesten bare hydrogen sto for kjølingen. I stedet mener forskerne at stjernen kan ha oppstått i et sjeldent mellomstadium: for lite karbon til vanlig kjøling, men nok støv, trolig rester fra supernovaer fra den første stjernegenerasjonen, til å hjelpe gassen med å klumpe seg sammen.
Forskerne understreker at hypotesen må testes ved å finne flere stjerner med tilsvarende ekstremt lave metallnivåer i ulike miljøer.
Kan komme fra en nabogalakse
Stjernens posisjon og bevegelse på himmelen tyder på at den ikke opprinnelig tilhører Melkeveien, men kan ha kommet fra Den store magellanske skyen, en dverggalakse som går i bane rundt Melkeveien. Hvis det stemmer, kan det bety at denne galaksen inneholder flere slike sjeldne stjerner som ennå ikke er oppdaget.
– Det er mulig at vi vil finne en relativt større andel ultrametallfattige stjerner i galakser som de magellanske skyene enn i vår egen Melkevei, sier Schlaufman.
– Det gjenstår fortsatt mye for å forstå hva som faktisk foregikk i den epoken, lenge før Melkeveien ble slik vi kjenner den. Vi har bare så vidt begynt.
Funnene er publisert i Nature Astronomy.
