Mød Solens bedsteforældre

Fundet afslører, at Solens “bedstefar” var gigantisk, og selvom kæmpestjernen eksploderede som en supernova for over 13 milliarder år siden, lever de grundstoffer, der blev smedet i dens indre, videre i Solen og andre stjerner.

Dermed kan forskerne nu for første gang sammenstykke hele stjernernes historie fra universets begyndelse og frem til i dag.

Stjerner brænder i billioner af år

Vi lever på en klode, der mest består af grundstoffer som ilt, silicium, aluminium og jern, men de fandtes ikke i universet fra starten.

Ved big bang blev der kun skabt en masse brint, en hel del helium og en ganske lille smule litium – de tre letteste grundstoffer. Langt størstedelen af alle de øvrige grundstoffer, vi kender til, er skabt i stjernerne.

I deres glødende indre smelter lette grundstoffer sammen til tungere. Fusionen af lette atomkerner er selve den proces, der leverer stjernernes energi. De tunge grundstoffer er efterladenskaber fra de kernereaktioner, der får stjernerne til at udsende lys og varme.

Når stjerner dannes i dag, består de fortrinsvis af brint og helium, men der er også mange andre grundstoffer i dem, og de er alle skabt af tidligere stjerner.

Engang må der altså have været en første generation af stjerner, som udelukkende bestod af brint, helium og litium. Disse stjerner kaldes også lidt forvirrende for population III-stjerner, fordi det er den type stjerner, astronomerne senest har fået kendskab til.

I dag inddeler forskerne stjerner i tre generationer, som kan genkendes på deres karakteristiske sammensætning af grundstoffer.

Første generation fødtes få hundrede millioner år efter big bang. Anden generation opstod på resterne af de første stjerner, og stjerner, der er dannet fra ca. 2,8 milliarder år efter big bang og frem til i dag, regnes for tredje generation.

Stjerner kan være utrolig sejlivede og blive ved med at brænde i op til flere billioner af år, dvs. meget længere tid end de 13,8 milliarder år, universet hidtil har eksisteret. I princippet kunne nogle af de allerførste stjerner altså eksistere den dag i dag.

Men stjerners levetid afgøres af deres størrelse, og det er langtfra alle stjerner, der bliver så gamle.

I de største stjerner er trykket så voldsomt og temperaturen så høj, at de løber tør for brændstof i løbet af få millioner år.

En mellemstor stjerne som Solen kan brænde i ca. ti milliarder år. Det er stadig kortere tid end universets alder, men hvis nogle af de første stjerner var mindre end Solen, såkaldt røde dværgstjerner, burde de stadig eksistere i vores galakse.

Trods fire årtiers eftersøgning er det imidlertid ikke lykkedes astronomerne at finde en rød dværgstjerne med den rette sammensætning for en førstegenerationsstjerne, dvs. at den ikke har nogen tungere grundstoffer.

Måske er det ikke så underligt, at jagten på den første generation af stjerner har været forgæves. I dag mener de fleste astronomer nemlig, at de oprindelige stjerner var gigantiske og derfor brændte ud på få millioner år, mens universet stadig var ungt.

Computermodeller for stjernedannelsen i det tidlige univers tyder på, at den brint og det helium, som var dannet ved big bang, sandsynligvis samlede sig i så store og tætte gasskyer, at der opstod superstjerner med masser på mere end hundrede gange Solens.

De grundstoffer, der blev dannet ved fusion i de første stjerners indre, spredtes ud i universet, når stjernerne brændte ud og eksploderede som supernovaer. På den måde blev universet beriget med tunge grundstoffer, der blev en del af de næste generationer af stjerner.

I løbet af universets historie er stadig mere brint blevet omdannet til tungere grundstoffer, så hvor den første generation af stjerner blev dannet helt uden grundstoffer, der var tungere end litium, rummer anden generation af stjerner op til 0,1 pct. tunge grundstoffer. Mange af dem brænder stadig i dag, bl.a. i Mælkevejens centrum.

Solen blev først dannet, da universet var lidt over ni milliarder år gammelt, og tilhører tredje generation af stjerner. Den har ca. 1,8 pct. tunge grundstoffer i sig, mens de stjerner, der fødes i dag, rummer helt op til fire pct. tunge grundstoffer.

Når vi kigger langt ud i universet, ser vi også tilbage i tiden, da lyset er milliarder af år om at tilbagelægge turen fra de fjerneste stjerner til os.

Kigger man langt nok ud, burde det derfor være muligt at se de første stjerner, selvom de for længst er brændt ud. Men trods deres størrelse og enorme lysstyrke er det uhyre vanskeligt at få øje på dem, fordi de er så langt væk.

Derfor har et internationalt hold af astronomer fra Japan, USA og Australien nu udviklet en ny, indirekte metode til at finde dem.

Sort hul afslører tidlig stjerne

I stedet for at se lyset fra en førstegenerationsstjerne har forskerne fundet spor af de rester, der blev tilbage, da den eksploderede som en supernova. Og her fik de hjælp fra et kæmpemæssigt sort hul.

I sig selv kan et sort hul ikke udsende lys, men når store mængder gas suges ind mod det, varmes gassen op til millioner af grader og lyser ekstremt kraftigt op, lige før den endegyldigt forsvinder.

Det sorte huls nærmeste omgivelser kan derfor ses som et himmellegeme, der kaldes en kvasar.

Til forskel fra stjerner er kvasarer så store og lysstærke, at de tydeligt kan ses, selvom de er milliarder af lysår væk.

Kvasaren J1342+0928 er drevet af et enormt sort hul med en masse svarende til 800 millioner sole, og det er i lyset fra den, astronomer nu har fundet resterne af en oprindelig stjerne.

Lyset fra kvasaren var undervejs i 13,1 milliard år, før det blev opfanget af det store teleskop Gemini North på Hawaii.

Ved at dele lyset op i dets enkelte bølgelængder og nærstudere lysspektret opdagede astronomerne, at gassen omkring det sorte hul rummede usædvanlig meget jern og ikke ret meget magnesium.

Computersimuleringer viser, at en stor førstegenerationsstjerne med en masse på 280 gange Solens vil eksplodere som en såkaldt parinstabil supernova, og det resulterer netop i en gaståge med mange jernatomer og få magnesiumatomer.

Sådan en fordeling af grundstoffer er svær at forklare på anden måde. Derfor kan astronomerne med stor sikkerhed sige, at en af universets tidligste stjerner endte sine dage nær det sorte hul.

Rød prik er Solens bedstefar

Opdagelsen understøtter teorien om, at i hvert fald en del af de første stjerner var giganter, der hurtigt brændte ud og eksploderede som supernovaer.

Astronomerne har dog stadig ikke opgivet drømmen om at få et glimt af de allerførste stjerner, mens de stadig lyser op på himlen.

De sætter deres lid til NASA’s nye rumteleskop, James Webb, der netop er designet til at udforske det tidlige univers.

Selv med Webb-teleskopet bliver det svært at observere enkelte stjerner, der opstod i den første milliard år af universets historie, men helt umuligt er det ikke. Faktisk har astronomerne allerede udpeget sig et mål – det ekstremt fjerne objekt WHL0137-LS, der har fået kælenavnet Earendel.

Teleskopets første billeder af Earendel røber, at der sandsynligvis er tale om en stjerne eller måske et system af flere stjerner, som lyste op for 12,9 milliarder år siden.

Men der skal flere observationer til, før astronomerne med sikkerhed tør sige, at den minimale, røde prik er en af de første stjerner, der blev tændt i universet, med andre ord – at vi kigger på en af Solens bedsteforældre.