Oude gaswolk laat zien dat de eerste sterren zich heel snel moeten hebben gevormd

[univers]

Astronomen onder leiding van Eduardo Bañados van het Max Planck Instituut voor Astronomie hebben een gaswolk ontdekt die informatie bevat over een vroege fase van melkweg- en stervorming, slechts 850 miljoen jaar na de oerknal. De wolk werd tijdens observaties van een verre quasar gevonden en heeft de eigenschappen die astronomen verwachten van de voorlopers van moderne dwergstelsels. Als het gaat om relatieve overvloed, is de chemie van de wolk verrassend modern , waaruit blijkt dat de eerste sterren in het universum zich zeer snel na de oerknal moeten hebben gevormd. De resultaten zijn gepubliceerd in het Astrophysical Journal.


Astronomen vonden een ongerepte gaswolk in de buurt van een van de meest bekende quasars, slechts 850 miljoen na de oerknal (1/14 van de huidige leeftijd van het universum). De gaswolk absorbeert een deel van het licht van de achtergrondquasar en laat handtekeningen achter waarmee astronomen zijn chemische samenstelling kunnen bestuderen. Dit is de meest verre gaswolk waarvoor astronomen tot nu toe een metaaligheid hebben kunnen meten. Dit systeem heeft een van de kleinste hoeveelheid metalen die ooit in een gaswolk is geïdentificeerd, maar de verhouding van de chemische elementen is nog steeds vergelijkbaar met wat is waargenomen in meer ontwikkelde systemen.

Wanneer astronomen naar verre objecten kijken, kijken ze noodzakelijkerwijs terug in de tijd. De gaswolk ontdekt door Bañados et al. is zo ver weg dat zijn licht er bijna 13 miljard jaar over heeft gedaan om ons te bereiken; omgekeerd vertelt het licht dat ons nu bereikt ons hoe de gaswolk er bijna 13 miljard jaar geleden uitzag, niet meer dan ongeveer 850 miljoen jaar na de oerknal. Voor astronomen is dit een buitengewoon interessant tijdperk. Binnen de eerste enkele honderden miljoenen jaren na de oerknal werden de eerste sterren en sterrenstelsels gevormd, maar de details van die complexe evolutie zijn nog grotendeels onbekend.

Deze zeer verre gaswolk was een toevallige ontdekking. Bañados, toen bij het Carnegie Institute of Science, en zijn collega's volgden verschillende quasars op uit een onderzoek onder 15 van de meest bekende quasars (z³6.5), opgesteld door Chiara Mazzucchelli als onderdeel van haar promotieonderzoek bij het Max Planck Instituut voor Astronomie. In het begin merkten de onderzoekers net op dat de quasar P183 + 05 een nogal ongebruikelijk spectrum had. Maar toen Bañados een meer gedetailleerd spectrum analyseerde, verkregen met de Magellan-telescopen in Las Campanas Observatory in Chili, erkende hij dat er iets anders aan de hand was: de rare spectrale kenmerken waren de sporen van een gaswolk die heel dicht bij de verre quasar lag - een van de meest verre gaswolken die astronomen tot nu toe hebben kunnen identificeren.

Verlicht door een verre quasar
Quasars zijn de extreem heldere actieve kernen van verre sterrenstelsels. De drijvende kracht achter hun helderheid is het centrale superzware zwarte gat van de melkweg. Materie die rond dat zwarte gat wervelt (voordat het erin valt) warmt op tot temperaturen die honderdduizenden graden bereiken en enorme hoeveelheden straling afgeven. Hierdoor kunnen astronomen quasars gebruiken als achtergrondbronnen om waterstof en andere chemische elementen in absorptie te detecteren: als een gaswolk zich rechtstreeks tussen de waarnemer en een verre quasar bevindt, wordt een deel van het licht van de quasar geabsorbeerd.

Astronomen kunnen deze absorptie detecteren door het spectrum van de quasar te bestuderen, dat wil zeggen de regenboogachtige ontbinding van het licht van de quasar in de verschillende golflengtegebieden. Het absorptiepatroon bevat informatie over de chemische samenstelling van de gaswolk, temperatuur, dichtheid en zelfs over de afstand van de wolk tot ons (en tot de quasar). Hierachter zit het feit dat elk chemisch element een "vingerafdruk" van spectrale lijnen heeft - een nauw golflengtegebied waarin de atomen van dat element bijzonder goed licht kunnen uitzenden of absorberen. De aanwezigheid van een karakteristieke vingerafdruk onthult de aanwezigheid en de overvloed van een specifiek chemisch element.

Niet helemaal de wolk die ze zochten
Vanuit het spectrum van de gaswolk konden de onderzoekers meteen de afstand van de wolk zien en dat ze terugkeken naar de eerste miljard jaar van de kosmische geschiedenis. Ze vonden ook sporen van verschillende chemische elementen, waaronder koolstof, zuurstof, ijzer en magnesium. De hoeveelheid van deze elementen was echter klein, ongeveer 1/800 keer de overvloed in de atmosfeer van onze zon. Astronomen noemen alle elementen kortweg zwaarder dan helium 'metalen'; deze meting maakt de gaswolk tot een van de meest metaalarme (en verre) systemen die bekend zijn in het universum. Michael Rauch van het Carnegie Institute of Science, co-auteur van de nieuwe studie, zegt: "

Het vinden van deze eerste generatie, zogenaamde "populatie III" -sterren is een van de belangrijkste doelen bij het reconstrueren van de geschiedenis van het universum. In het latere universum spelen chemische elementen zwaarder dan waterstof een belangrijke rol bij het laten instorten van gaswolken om sterren te vormen. Maar die chemische elementen, met name koolstof, worden zelf in sterren geproduceerd en in supernova-explosies de ruimte in geslingerd. Voor de eerste sterren zouden die chemische facilitators er gewoon niet zijn geweest, omdat er direct na de Big Bang-fase alleen waterstof- en heliumatomen waren. Dat is wat de eerste sterren fundamenteel anders maakt dan alle latere sterren.

De analyse toonde aan dat de chemische samenstelling van de wolk niet chemisch primitief was, maar in plaats daarvan waren de relatieve hoeveelheden verrassend vergelijkbaar met de chemische hoeveelheden waargenomen in de intergalactische gaswolken van vandaag. De verhoudingen van de overvloed aan zwaardere elementen lagen heel dicht bij de verhoudingen in het moderne universum. Het feit dat deze gaswolk in het zeer vroege universum al metalen met moderne relatieve chemische overvloed bevat, vormt belangrijke uitdagingen voor de vorming van de eerste generatie sterren.

Zoveel sterren, zo weinig tijd
Deze studie impliceert dat de vorming van de eerste sterren in dit systeem veel eerder moet zijn begonnen: de chemische opbrengsten die van de eerste sterren werden verwacht, waren al gewist door de explosies van ten minste nog een generatie sterren. Een bepaalde tijdsdruk komt van supernovae van type Ia, kosmische explosies die nodig zouden zijn om metalen te produceren met de waargenomen relatieve hoeveelheden. Dergelijke supernovae hebben meestal ongeveer 1 miljard jaar nodig om te gebeuren, wat een serieuze beperking vormt voor alle scenario's van hoe de eerste sterren werden gevormd.

Nu de astronomen deze zeer vroege wolk hebben gevonden, zoeken ze systematisch naar aanvullende voorbeelden. Eduardo Bañados zegt: “Het is opwindend dat we metaal en chemische overvloed zo vroeg in de geschiedenis van het universum kunnen meten, maar als we de handtekeningen van de eerste sterren willen identificeren, moeten we dat al eerder in de kosmische geschiedenis onderzoeken. Ik ben optimistisch dat we nog verder weg gelegen gaswolken zullen vinden, die ons kunnen helpen begrijpen hoe de eerste sterren zijn geboren. ”

https://www.mpg.de/en/2019-09-quasar-gas