For milliarder av år siden var universet et mørkt sted. Først da de aller første stjernene begynte å lyse, ble rommet gradvis mer «gjennomsiktig», og lys kunne bevege seg fritt.
Likevel har astronomer aldri med sikkerhet funnet en eneste av disse aller første stjernene, de som kalles Populasjon III. Nå mener forskere at de har funnet det nest beste: en stjerne som er så ekstremt fattig på tunge grunnstoffer at den trolig ble dannet like etter den første stjernegenerasjonen.
Slike objekter kalles Populasjon II-stjerner, og de er svært sjeldne. Den nye kandidaten, PicII-503, vekker ekstra stor interesse fordi den er den mest jernfattige stjernen som noen gang er funnet utenfor Melkeveien. Den ligger i en eldgammel dverggalakse som antas å være mer enn 10 milliarder år gammel.
– Å oppdage en stjerne som entydig bevarer spor av tunge grunnstoffer fra de første stjernene, er i ytterkanten av det vi trodde var mulig, gitt hvor sjeldne disse objektene er, sier astrofysiker Anirudh Chiti ved Stanford University.
– Med den laveste jernmengden som noen gang er utledet i en ultralyse dverggalakse, gir PicII-503 et helt unikt innblikk i den første elementproduksjonen i et urtids-system, sier han.
Hvorfor de første stjernene er så vanskelige å finne
Universet har ikke et sentrum, så hvis Populasjon III-stjerner fortsatt eksisterte, skulle de i prinsippet kunne finnes spredt rundt omkring. Problemet er at forskere tror disse første stjernene var langt mer massive enn dagens stjerner, og derfor levde svært kort før de døde i kraftige eksplosjoner.
I universets tidligste fase fantes det nesten bare hydrogen og helium. Da de første stjernene ble tent, begynte de å «koke» sammen atomkjerner i sine indre og danne tyngre grunnstoffer, helt opp til jern. Når slike stjerner gikk tomme for fusjonsdrivstoff, eksploderte de som supernovaer og spredte de nydannede stoffene ut i rommet. I selve supernovaeksplosjonene kan også grunnstoffer tyngre enn jern dannes.
Astronomer omtaler gjerne alle grunnstoffer tyngre enn helium som «metaller». Disse metallene blandes inn i gassen som senere blir til nye stjerner. Derfor er unge stjerner typisk mer metallrike, mens svært gamle stjerner har lavt metallinnhold.
En «fossilgalakse» som tidskapsel
PicII-503 befinner seg rundt 150.000 lysår unna i en liten, svak dverggalakse som kretser rundt Melkeveien: Pictor II. Denne galaksen regnes som en såkalt fossilgalakse, der stjernene er ekstremt gamle, og der det knapt har skjedd ny stjernedannelse eller tilført nye stjerner på milliarder av år.
Det gjør Pictor II til et godt sted å lete etter stjerner som kan ha blitt dannet av gass som ble «forurenset» av de aller første stjernene. Chiti og kollegene hans gikk gjennom observasjoner fra kartleggingsprosjektet Mapping the Ancient Galaxy in CaHK, som bruker Dark Energy Camera montert på Víctor M. Blanco 4-meter-teleskopet til US National Science Foundation.
Målet var å finne stjerner med ekstremt lave metallmengder. PicII-503 skilte seg tydelig ut.
Nesten ikke jern – men uvanlig mye karbon
Analyser av stjernens spektrum tyder på at PicII-503 har rundt 43.000 ganger mindre jern enn Solen, og omtrent 160.000 ganger mindre kalsium. Samtidig er karboninnholdet uvanlig høyt: rundt 3.000 ganger høyere relativt til disse grunnstoffene.
Forskerne mener den svært lave mengden tunge grunnstoffer passer best med at PicII-503 er en Populasjon II-stjerne som ble dannet av gass som nettopp var blitt beriket av de aller første stjernene.
Den spesielle ubalansen mellom grunnstoffene kan også gi en pekepinn på hva slags supernova som bidro med stoffene. Ifølge forskerne kan PicII-503 ha blitt dannet etter en uvanlig svak supernova, der tyngre elementer som jern og kalsium i stor grad falt tilbake på restobjektet, mens lettere elementer som karbon slapp ut og ble blandet inn i gassen.
Dersom supernovaen hadde vært mer energirik, ville de utslyngede elementene kunne ha blitt kastet ut i så høy fart at de forlot en liten galakse som Pictor II. I så fall ville ikke PicII-503 hatt byggesteinene den trengte for å kunne dannes der.
Kan knytte funnet til stjerner rundt Melkeveien
Resultatene kan også si noe om gamle stjerner i den såkalte haloen rundt Melkeveien. Melkeveien har gjennom historien slukt mange mindre galakser, og prosessen pågår fortsatt. På sikt kan også Pictor II bli revet opp og innlemmet.
– Det som begeistrer meg mest, er at vi har observert et resultat av den aller første elementproduksjonen i en urtidsgalakse. Det er en helt grunnleggende observasjon, sier Chiti.
– Det knytter seg også tydelig til signaturen vi ser i de mest metallfattige halo-stjernene i Melkeveien, og kobler sammen opprinnelsen deres og den første-stjerne-berikede naturen til disse objektene, sier han.
Forskningen er publisert i Nature Astronomy.
