Ända sedan astronomer insåg att universum är i ett konstant tillstånd av expansion och att en massiv explosion troligen startade det hela för 13,8 miljarder år sedan (den Big Bang ), har det funnits olösta frågor om när och hur de första stjärnorna bildades. Baserat på data som samlats in av NASA Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) och liknande uppdrag, tros detta ha hänt cirka 100 miljoner år efter Big Bang.
Mycket av detaljerna om hur denna komplexa process fungerade har förblivit ett mysterium. Men nya bevis som samlats in av ett team ledd av forskare från Max Planck-institutet för astronomi indikerar att de första stjärnorna måste ha bildats ganska snabbt. Använda data från Magellan-teleskop vid Las Campanas-observatoriet , observerade teamet ett gasmoln där stjärnbildning ägde rum bara 850 miljoner år efter Big Bang.
Studien som beskrev deras resultat, som nyligen dök upp i Astrofysisk tidskrift , leddes av Eduardo Bañados. En medlem på Carnegie Institute for Science vid den tiden observerade Banados och hans kollegor gasmolnet medan de utförde uppföljande observationer på en undersökning av 15 av de mest avlägsna kvasarerna som är kända.
Denna undersökning hade utarbetats av Chiara Mazzucchelli, en astronom vid European Southern Observatory (ESO) och en medförfattare till studien, som en del av hennes doktorsexamen. forskning vid Max Planck Institute for Astronomy. När de undersökte spektra för en kvasar i synnerhet (P183+05), noterade de att den hade några ganska märkliga egenskaper.
Med hjälp av Carnegie Institutions 6,5 m Magellan-teleskop vid Las Campanas-observatoriet i Chile, kände Banados och hans kollegor igen de spektrala egenskaperna för vad de var: ett närliggande gasmoln som belystes av kvasaren. Spektran berättade också för dem hur långt gasmolnet var från jorden – över 13 miljarder ljusår bort – vilket gör det till ett av de mest avlägsna som någonsin observerats och identifierats av astronomer.
Dessutom hittade de spektra som indikerade närvaron av spårmängder av element som kol, syre, järn och magnesium - kemiskt betecknade som 'metaller' eftersom de är tyngre än helium. Sådana element skapades under det tidiga universum när de första generationerna av stjärnor (aka. 'population III') släppte ut dem i kosmos efter att de nått slutet av sin livslängd och exploderade som supernovor.
Magellan-teleskopen vid Las Campanas-observatoriet i Chile. Kredit: Carnegie Institute of Science
Som Michael Rauch, en astronom från Carnegie Institution of Science och medförfattare till den nya studien, sa :
'Efter att vi var övertygade om att [vi] tittade på sådan orörd gas bara 850 miljoner år efter Big Bang började vi undra om detta system fortfarande kunde behålla kemiska signaturer producerade av den allra första generationen stjärnor.'
Att hitta den första generationen stjärnor har länge varit astronomernas mål eftersom det skulle möjliggöra en mer omfattande förståelse av universums historia. Allteftersom tiden gick spelade grundämnen tyngre än väte en nyckelroll i bildandet av stjärnor, där materia klumpar ihop sig på grund av ömsesidig attraktion och sedan genomgår gravitationskollaps.
Eftersom endast väte och helium tros ha funnits i universum efter Big Bang, hade den första generationen stjärnor inte dessa kemiska grundämnen – vilket gör dem åtskilda från varje generation som följde. Det var därför överraskande att notera ett relativt överflöd av dessa element i ett så tidigt gasmoln, vilket faktiskt var jämförbart med vad astronomer ser i intergalaktiska gasmoln idag.
Enligt nya bevis kan stjärnor ha bildats en miljard år tidigare än vi trodde. Kredit: NASA/Serge Brunier
Dessa observationer utgör en stor utmaning för konventionella teorier om hur de första stjärnorna i vårt universum bildades. I huvudsak indikerar det att stjärnbildningen måste ha börjat mycket tidigare för att producera dessa kemiska grundämnen. Baserat på studier som involverar supernovor av typ Ia, uppskattas det att de explosioner som är nödvändiga för att producera dessa metaller med det observerade överflöd skulle ta cirka 1 miljard år att inträffa.
Kort sagt kan forskare ha varit borta i ungefär en generation när det kommer till när de första stjärnorna föddes, vilket antyder att det kan ha funnits några under universums tidigaste eoner. Detta betyder i praktiken att de första stjärnorna skulle ha behövt bildas ganska snabbt från den ursoppa av väte och helium som var det tidiga universum. Detta fynd kan få allvarliga konsekvenser för teorier om kosmisk evolution.
Som Badad sa , målet är nu att bekräfta detta genom att hitta ytterligare gasmoln som har liknande kemiska förekomster:
'Det är spännande att vi kan mäta metallicitet och kemiska förekomster så tidigt i universums historia, men om vi vill identifiera signaturerna för de första stjärnorna måste vi undersöka ännu tidigare i den kosmiska historien. Jag är optimistisk att vi kommer att hitta ännu mer avlägsna gasmoln, som kan hjälpa oss att förstå hur de första stjärnorna föddes.'
Relativiteten säger oss att rum och tid är två uttryck för samma verklighet. Ergo, genom att titta längre ut i universum, tittar vi också längre tillbaka i tiden. På så sätt har astronomer kunnat justera sina kosmologiska modeller och idéer om hur och när allting började. Att veta att de första stjärnorna i universum kunde ha sitt ursprung tillbaka till en ännu tidigare tid; ja, det är bara en del av inlärningskurvan!
Vidare läsning: Max Planck Society , Astrofysisk tidskrift