Pressmeddelande

Bästa beviset hittills för universums första generation av stjärnor

VLT upptäcker tecken på Population III-stjärnor i den rekordljusa, avlägsna galaxen CR7

17 juni 2015

Astronomer har med hjälp av ESO:s Very Large Telescope upptäckt starka bevis på universums första generation av stjärnor – gömda i en galax som är den mest ljusstarka som hittills hittats i det unga universum. Inuti dessa tunga, ljusstarka, och tills nu helt teoretiska objekt skapades universums första tunga grundämnen, utan vilka de stjärnorna som vi ser omkring oss idag, planeterna som kretsar kring dom, och livet som vi känner till det, inte skulle ha varit möjliga. Den nyfunna galaxen, som fått namnet CR7, lyser tre gånger starkare än någon annan avlägsen galax som forskare känner till.

Astronomer har länge utvecklat teorier om en första generationen av stjärnor - så kallade Population III-stjärnor - som föddes ur materian som skapades i big bang [1]. Alla de tyngre grundämnena - till exempel syre, kväve, kol och järn, som alla är viktiga för uppkomsten av liv - smiddes i stjärnornas magar. Detta betyder att de första stjärnorna måste ha bildats av endast de grundämnen som fanns innan stjärnorna: väte, helium och mycket små mängder litium.

Dessa Population III-stjärnor skulle enligt forskare ha varit enorma och kan ha vägt så mycket som flera hundra eller kanske till och med tusen gånger solens massa. Efter korta liv som rasande heta, ljusa klot, skulle de explodera som supernovor efter bara omkring två miljoner år. Fram tills nu har dock sökandet efter dessa stjärnor inte gett några tydliga fysiska bevis [2].

Nu har ett forskarlag lett av David Sobral, astronom vid Institutet för astrofysik och rymdvetenskap vid Lissabons universitet i Portugal och Leidenobservatoret i Nederländerna, använt ESO:s Very Large Telescope (VLT) för att kika tillbaka in i det uråldriga universum, till en period som forskare kallar för återjoniseringsepoken, cirka 800 miljoner år efter big bang. Istället för att göra en långexponeringar på ett litet område av himlen valde forskarna att istället försöka sig på den bredaste genommönstringen av väldigt avlägsna galaxer som hittills gjorts.

Den ambitiösa studien utfördes med VLT och med hjälp av W. M. Keck-observatoriet, Subaruteleskopet samt NASA/ESA:s rymdteleskop Hubble. Teamet upptäckte – och bekräftade – ett antal överraskande ljusa och väldigt unga galaxer. En av dessa, som gavs namnet CR7 [3], var ett anmärkningsvärt ovanligt objekt, med råge den ljusstarkaste galaxen som någonsin observerats såhär tidigt i universums utveckling [4]. Med upptäcken av CR7 och de andra ljusa galaxerna kunde studien redan betraktas som framgångsrik, men vidare undersökningar gav ytterligare spännande nyheter.

Forskarna använde instrumenten X-shooter och SINFONI på VLT för att observera CR7, och från en ljus fläck i galaxen lyste det starkt från joniserat helium. Viktigast och mest överraskande med detta var att tillsammans med signalen från helium sågs inga tecken på några tyngre grundämnen. Detta innebar att teamet hade för första gången upptäckt bevis för hopar av Population III-stjärnor som har joniserat gas inuti en galax i det unga universum [5].

David Sobral är förstaförfattare till forskningsartikeln.

– Upptäckten var redan från början en överraskning, eftersom vi inte hade väntat oss att hitta en så ljus galax. Sedan, genom att bit för bit avtäcka vad för typ av galax CR7 är, förstod vi att vi inte bara funnit den med råge mest ljusstarka avlägsna galaxen. Vi började också inse att den uppvisade varenda egenskap som man skulle vänta sig av Population III-stjärnor. Det är just dessa stjärnor som bildade de första tunga atomer som i slutändan gjorde det möjligt för oss att finnas till. Mer spännande än så här kunde det inte bli, säger han.

Inuti CR7 fann man även blåare och något rödare stjärnhopar, vilket tyder på att Population III-stjärnor har enligt förväntningar bildats i vågor. Det som teamet har sett skulle alltså vara den sista vågen av Population III-stjärnor, vilket i sin tur pekar på att sådana stjärnor borde vara lättare att hitta än vad man tidigare trott. Istället för att endast finnas bara bland mycket tidiga, små, ljussvaga och därmed mycket svårstuderade galaxerna, tycks de även leva bland vanliga stjärnor, i ljusa galaxer.

Jorryt Matthee är andraförfattare till forskningsartikeln.

– Jag har alltid undrat var vi kommer ifrån. Även som barn ville jag veta var grundämnena kommer ifrån: kalciumet i mina ben, kolet i mina muskler, järnet i mitt blod. Jag fick reda på att dessa först bildades i början av universum, av den första generationen av stjärnor. Med den här upptäckten börjar vi, märkligt nog, faktiskt kunna se dessa objekt för första gången, säger han.

Forskarna planerar nu vidare observationer med VLT, ALMA och NASA/ESA:s rymdteleskop Hubble för att kunna bekräfta utan tvivel att det är Population III-stjärnor som de sett, och för att söka efter och identifiera ytterligare exempel.

Noter

[1] Namnet Population III har astronomer använt efter att ha klassificerat stjärnorna i Vintergatan som antingen Population I (stjärnor som solen, rika i tyngre grundämnen och som utgör galaxens skiva) eller Population II (äldre stjärnor, med lägre innehåll av tyngre grundämnen, och som återfinns i Vintergatans bula och halo, samt klotformiga stjärnhopar).

[2] Att hitta dessa stjärnor är svårt. De måste ha varit väldigt kortlivade, och fanns på en tid då universum i stort sett inte släppte igenom deras ljus. Tidigare fynd har publicerats av Nagao m. fl., 2008, dock utan något joniserat helium, De Breuck m. fl., 2000, där man upptäckte joniserat helium, men tillsammans med tecken på kol och syre samt en tydlig signal från en aktiv galaxkärna; och Cassata m. fl. 2013, som upptäckte joniserat helium men med låg ekvivalentbredd och tillsammans med kol och syre.

[3] CR7:s smeknamn är en förkortning för COSMOS Redshift 7, ett mått för galaxens läge i kosmisk tid. Ju högre rödförskjutning (redshift), desto mer avlägsen är galaxen och desto längre bak i universums historia ser vi den. A1689-zD1, en av de äldsta galaxerna som någonsin observerats har till exempel en rödförskjutning på 7,5.

Smeknamnet är inspirerat av den portugisiska fotbollsspelaren Cristiano Ronaldo, som även är känd som CR7.

[4] CR7 är tre gånger ljusare än den tidigare rekordhållaren, Himiko, som man trodde var unik i sitt slag i det unga universum. Senare i universums utveckling bildas dammiga galaxer vars totala strålning i värmestrålning från upphettade stoftpartiklar kan överträffa CR7. Utstrålningen från CR7 består mest av ultraviolett och synligt ljus.

[5] Teamet övervägde två alternativa teorier: att ljuskällan antingen var en aktiv galaxkärna eller en Wolf-Rayet-stjärna. Bland annat avsaknaden av tunga grundämnen motbevisar starkt båda dessa teorier. En annan möjlighet är att källan kan vara ett direktbildat svart hål, som i sig också är utomordentligt exotiska och ännu helt teoretiska objekt. Avsaknaden av breda emissionslinjer och faktumet att ljusstyrkan hos väte och helium är mycket större än vad som förutsagts för sådana svarta hål, tyder på att även detta är osannolikt. Brist på röntgenstrålning skulle ytterligare motbevisa denna möjlighet, men för det krävs ytterligare observationer.

Mer information

Forskningen presenteras i en forskningsartikel med titeln “Evidence for Pop III-like stellar populations in the most luminous Lyman-α emitters at the epoch of re-ionisation: spectroscopic confirmation” av D. Sobral, m. fl., som publiceras i tidsskriften Astrophysical Journal.

Forskarteamet består av David Sobral (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade de Lisboa, Lissabon, Portugal; Departamento de Física, Faculdade de Ciências, Universidade de Lisboa, Lissabon, Portugal; Leidenobservatoriet, Leidenuniversitetet, Leiden, Nederländerna), Jorryt Matthee (Leidenobservatoriet), Behnam Darvish (Department of Physics and Astronomy, University of California, Riverside, California, USA), Daniel Schaerer (Observatoire de Genève, Département d’Astronomie, Université de Genève, Versoix, Schweiz; Centre National de la Recherche Scientifique, IRAP, Toulouse, Frankrike), Bahram Mobasher (Department of Physics and Astronomy, University of California, Riverside, California, USA), Huub J. A. Röttgering (Leidenobservatoriet), Sérgio Santos (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade de Lisboa; Departamento de Física, Universidade de Lisboa, Portugal) och Shoubaneh Hemmati (Department of Physics and Astronomy, University of California, Riverside, California, USA).

ESO, Europeiska sydobservatoriet, är Europas främsta samarbetsorgan för astronomisk forskning och världens mest produktiva astronomiska observatorium. Det stöds av 16 länder: Belgien, Brasilien, Danmark, Finland, Frankrike, Italien, Nederländerna, Polen, Portugal, Schweiz, Spanien, Storbritannien, Sverige, Tjeckien, Tyskland och Österrike. ESO:s ambitiösa verksamhet rör design, konstruktion och drift av avancerade markbaserade forskningsanläggningar som gör det möjligt för astronomer att göra banbrytande vetenskapliga upptäckter. ESO spelar dessutom en ledande roll i att främja och organisera samarbeten inom astronomisk forskning. ESO driver tre unika observationsplatser i Chile: La Silla, Paranal och Chajnantor. Vid Paranal finns Very Large Telescope, världens mest avancerade observatorium för synligt ljus, och två kartläggningsteleskop. VISTA arbetar i infrarött ljus och är världens största kartläggningsteleskop och VST (VLT Survey Telescope) är det största teleskopet som konstruerats enbart för att kartlägga himlavalvet i synligt ljus. ESO är en huvudpartner i ALMA, världens hittills största astronomiska projekt. Och på Cerro Armazones, nära Paranal, bygger ESO det europeiska extremt stora 39-metersteleskopet för synligt och infrarött ljus, E-ELT. Det kommer att bli ”världens största öga mot himlen”.

Länkar

●       Forskningsartikeln

●       Bilder på VLT

Kontakter

David Sobral
Universidade de Lisboa and Leiden University
Lisbon / Leiden, Portugal / The Netherlands
Tel: +351 916 700 769
E-post: sobral@iastro.pt

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Mobil: +49 151 1537 3591
E-post: rhook@eso.org

João Retrê
Coordinator, Science Communication and Outreach Office, Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço
Lisbon, Portugal
Tel: +351 21 361 67 49
E-post: jretre@iastro.pt

Johan Warell (Presskontakt för Sverige)
ESO:s nätverk för vetenskaplig kommunikation
Skurup, Sverige
Tel: +46-706-494731
E-post: eson-sweden@eso.org

Connect with ESO on social media

Detta är den översatta versionen av ESO:s pressmeddelande eso1524 som har tagits fram inom ESON, ett nätverk av medarbetare i ESO:s medlemsländer. ESON-representanterna fungerar som lokala kontaktpersoner för media i samband med ESO:s pressmeddelanden och andra händelser. ESON:s kontaktperson i Sverige är Johan Warell.