Eerste sterren ontploften met enorm krachtige jets die zaden leverden voor nieuwe sterren

Een astrofysische jet is een fenomeen waarbij krachtige stralen van geïoniseerd materiaal - materiaal dat niet uit neutrale atomen, zonder lading, maar uit geladen deeltjes, ionen, bestaat - met hoge snelheid uitgestoten worden. Als het uitgestoten materiaal de lichtsnelheid benadert, spreekt men van een relativistische jet, omdat er zich dan effecten van de speciale relativiteit beginnen voor te doen. 

Jets worden geassocieerd met accretieschijven - schijven rond een hemellichaam van snel ronddraaiend gas en stof - en komen onder meer voor bij zwarte gaten, neutronensterren, pulsars en protosterren. 

De jets waar het hier over gaat, moeten bijzonder krachtig geweest zijn en materie, in het bijzonder dan de zwaardere elementen, ver de ruimte in hebben geslingerd. Die elementen hebben dan gediend als 'zaden' voor de tweede generatie van sterren in het universum, waarvan we er een aantal nu nog kunnen observeren.  

In de nieuwe studie beschrijven onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), andere Amerikaanse instituten en de Université Libre de Bruxelles (ULB)  de aanwezigheid van een grote hoeveelheid zink in HE 1327-2326, een oude, nog steeds overlevende ster die deel uitmaakt van de tweede generatie van sterren. Ze zijn van mening dat de ster zo'n grote hoeveelheid zink enkel maar heeft kunnen verwerven nadat een asymmetrische ontploffing van een van de allereerste sterren de gaswolk waaruit HE 1327-2326 ontstaan is, verrijkt had met onder meer zink.  

"Als een ster ontploft, wordt een deel van de ster in een zwart gat gezogen zoals in een stofzuiger", zei Anna Frebel in een persmededeling van MIT. Frebel is hoogleraar fysica aan MIT en een van de auteurs van de nieuwe studie. "Alleen als je een soort van mechanisme hebt zoals een jet, die materiaal kan wegrukken, kan je dat materiaal later waarnemen in een ster van de volgende generatie. En we geloven dat dat precies is wat hier kan gebeurd zijn."

"Dit is het eerste geobserveerde bewijs dat een dergelijke asymmetrische supernova plaats heeft gevonden in het jonge universum", voegde Rana Ezzeddine eraan toe. ""Dit verandert ons begrip van hoe de eerste sterren ontploften." Ezzeddine is postdoctoraal onderzoeker aan MIT en de belangrijkste auteur van de nieuwe studie. 

De ster HE 1327-2326 werd door Frebel in 2005 ontdekt. In die tijd was ze de ster met de minste metalen die ooit geobserveerd was, wat betekent dat ze extreem lage concentraties had van elementen die zwaarder zijn dan waterstof en helium; Dat gebrek aan metalen is een aanwijzing dat de ster gevormd was als een onderdeel van de tweede generatie van sterren in het universum, in een tijd toen het grootste deel van de zware elementen van het universum nog moesten gevormd worden.

"De eerste sterren waren zo massief dat ze wel bijna onmiddellijk moesten ontploffen", zei Frebel. "De kleinere sterren die gevormd werden als de tweede generatie, zijn vandaag nog steeds beschikbaar, en ze bewaren het vroege materiaal dat deze eerste sterren achtergelaten hebben. Onze ster had slechts een sprenkeling van elementen zwaarder dan waterstof en helium, en dus weten we dat ze moet gevormd zijn als deel van de tweede generatie van sterren."

In mei 2016 was het team in staat de ster te observeren, die een baan heeft dicht bij de aarde, slechts 5.000 lichtjaar ver. De onderzoekers verkregen tijd met de Hubble-ruimtetelescoop in de loop van twee weken, en ze legden het licht van de ster vast gedurende verschillende omlopen.

Ze gebruikten een instrument aan boord van de telescoop, de Cosmic Origins Spectrograph, om zelfs minieme hoeveelheden van verschillende elementen in de ster te meten. De spectograaf is zeer precies ontworpen om zwak ultraviolet licht op te vangen. Sommige van de golflengten in het ultraviolet worden geabsorbeerd door bepaalde elementen, bijvoorbeeld door zink.

De onderzoekers hadden een lijst opgesteld van zware elementen waarvan ze dachten dat die aanwezig zouden kunnen zijn in een dergelijke oude ster, en waarnaar ze wilden uitkijken in de gegevens van de ultraviolet-waarnemingen, waaronder silicium, ijzer, fosfor en zink. 

"Ik herinner me dat we de data in handen kregen, en zagen hoe de lijn voor zink eruit schoot. We konden het niet geloven en deden de analyse opnieuw en opnieuw", zo herinnerde Ezzeddine zich. "We ontdekten dat, hoe we het ook maten, we steeds deze erg grote aanwezigheid van zink kregen."

Frebel en Ezzeddine namen nadat ze de verrassende gegevens gekregen hadden, contact op met hun medewerkers in Japan, die gespecialiseerd zijn in het ontwikkelen van simulaties van supernova's en de secundaire sterren die gevormd worden in de nasleep van de ontploffingen. De onderzoekers voerden meer dan 10.000 simulaties van supernova's uit, telkens met verschillende ontploffingsenergieën, configuraties en andere parameters. 

Ze ontdekten dat de meeste van de bolvormige supernova-simulaties in staat waren een secundaire ster te produceren met de samenstelling van elementen die de onderzoekers hadden waargenomen in HE 1327-2326, behalve wat zink betrof. Geen enkele 'bolvormige' simulatie gaf het geobserveerde zinksignaal. 

De enige simulatie die de samenstelling van de ster kon verklaren, met haar grote hoeveelheid zink, bleek er een te zijn van een niet-sferische, jets uitstotende supernova van een eerste ster. Een dergelijke supernova zou extreem explosief geweest zijn, met een kracht van zo'n quintiljoen (10 tot de 30e) keer die van een waterstofbom.

"We hebben ontdekt dat deze eerste supernova veel meer energie had dan men vroeger dacht, zo'n 5 tot 10 keer meer", zei Ezzeddine in de persmededeling. "Het is zelfs zo dat het vroegere idee van een zwakkere supernova om de sterren van de tweede generatie te verklaren, weldra op rust zal moeten gesteld worden."

De bevindingen van het team kunnen ook een verschuiving veroorzaken in de ideeën van wetenschappers over de reïonisatie, een cruciale periode in de geschiedenis van het universum, van zo'n 400 miljoen tot een miljard jaar na de oerknal,  waarin het gas in het heelal veranderde van volledig neutraal - niet geladen atomen - in geïoniseerd - bestaande uit deeltjes met een lading. Die toestand maakte het mogelijk dat de sterrenstelsels vorm kregen. 

"Mensen dachten, afgaande op de eerste waarnemingen, dat de eerste sterren niet zo erg helder waren of veel energie bezaten, en dat ze, als ze explodeerden, dus niet zo erg veel zouden bijdragen aan de reïonisatie van het universum", zei Frebel. "In zekere zin corrigeren wij dit beeld, en tonen we, misschien hadden de eerste sterren wel voldoende pit toen ze ontploften, en zijn ze dus nu grote kanshebbers om bijgedragen te hebben aan de reïonisatie, en om hun eigen dwergsterrenstelsel totaal verwoest te hebben."

Deze eerste supernova's kunnen ook krachtig genoeg geweest zijn om zware elementen in naburige 'maagdelijke sterrenstelsels' uitgezaaid te hebben, sterrenstelsels die zelf nog geen nieuwe sterren gevormd hadden. 

"Eens je zware elementen in een waterstof- en heliumgas hebt, wordt het veel makkelijker om sterren te vormen, vooral kleintjes", zei Frebel. "Onze werkhypothese is dat de sterren van de tweede generatie van deze soort misschien gevormd zijn in deze 'verontreinigde' maagdelijke sterrenstelsels, en niet in hetzelfde systeem als waarin de supernova-ontploffing heeft plaatsgevonden, iets wat we tot nu toe altijd aangenomen hebben, zonder het ook eens anders te bekijken. Dit opent dus een nieuw kanaal voor de vroege stervorming." 

De studie van Frebel, Ezzeddine, hun Amerikaanse collega's en onze landgenoot Thibault Merle van de ULB, is gepubliceerd in The Astrophysical Journal.