Møt solens besteforeldre

De første stjernene som ble tent etter big bang, har sluknet for lengst, men restene av dem lever videre. Nå har astronomer funnet en av de aller eldste stjernene. Her ser du hvordan den gamle kjempen passer inn i solens stamtre.

gamle stjerner solens bedsteforældre
© Shutterstock

Allerede da universet bare var noen hundre millioner år gammelt, lyste de første stjernene opp i mørket. Det sier i hvert fall teoriene om universets utvikling, men astronomene har et problem: De kan ikke finne de stjernene som skrudde på lyset i universet.

Man vet at det må ha vært tre generasjoner av stjerner i universets 13,8 milliarder år lange historie, men første generasjon har det, etter tiår med utforskning av himmelrommet, aldri lykkes å se i et teleskop.

Nå har en internasjonal forskergruppe imidlertid brukt en annen metode til å finne solens besteforeldre. I lyset fra en kvasar – et ekstremt lyssterkt område rundt et fjernt svart hull – har de oppdaget de kjemiske fingeravtrykkene fra en førstegenerasjonsstjerne.

Funnet avslører at solens «bestefar» var gigantisk, og selv om kjempestjernen eksploderte som en supernova for over 13 milliarder år siden, lever de grunnstoffene som ble smidd i den, videre i solen og andre stjerner.

Dermed kan forskerne nå for første gang sammenstille hele stjernenes historie fra begynnelsen av universet og fram til i dag.

Stjerner brenner i billioner av år

Vi lever på en klode som stort sett består av grunnstoffer som oksygen, silisium, aluminium og jern, men de fantes ikke i universets barndom.

Ved big bang ble det bare skapt masse hydrogen, en hel del helium og en smule litium – de tre letteste grunnstoffene. Resten av grunnstoffene vi kjenner til, er stor sett skapt i stjernene.

Gamle stjerner solens bedsteforældre1

I en stjernes indre går lette atomkjerner sammen til tyngre. Fusjonsprosessene skaper lys og varme.

© Shutterstock

I stjernens glødende indre går lette grunnstoffer sammen til tyngre. Fusjonen av lette atomkjerner er den prosessen som leverer stjernenes energi. De tunge grunnstoffene er rester fra de kjernereaksjonene som får stjernene til å sende ut lys og varme.

Når stjerner dannes i dag, består de først og fremst av hydrogen og helium, men det er også mange andre grunnstoffer i dem, og alle er skapt av tidligere stjerner.

En gang må det ha vært en første generasjon av stjerner som bare besto av hydrogen, helium og litium. Disse stjernene kalles også – litt forvirrende – for populasjon III-stjerner fordi det er den typen astronomene senest har fått kjennskap til.

I dag deler forskerne inn stjerner i tre generasjoner som kan gjenkjennes på sammensetningen av grunnstoffer.

Første generasjon ble født noen hundre millioner år etter big bang. Andre generasjon oppsto på restene av de første stjernene, og stjerner som er dannet fra om lag 2,8 milliarder år etter big bang og fram til i dag, regnes for tredje generasjon.

Universet har hatt tre generasjoner av stjerner

De første stjernene ble dannet av det hydrogenet og det heliumet som oppsto fra big bang for 13,8 milliarder år siden. Da de brant ut, ble de neste stjernene dannet på restene av dem. Astronomene deler inn stjerner i tre generasjoner.

1 Kjempestjerner slo på lyset i universet

De første stjernene oppsto noen hundre millioner år etter big bang, da store skyer av hydrogen og helium kollapset. Stjernene var over tunge ganger så tunge som solen, men brant raskt ut og er aldri observert på himmelen.

2 Stjerner gjenoppsto fra de døde

Neste generasjon av stjerner oppsto fra restene av den første. De mest seiglivede av dem er røde dverger, som fortsatt finnes i sentrum av Melkeveien og i stjernehoper som går i bane rundt galaksen vår. De er vanligvis 11–13 milliarder år gamle.

3 Nye stjerner oppstår fortsatt

I dag består Melkeveien først og fremst av nyere stjerner som solen, som er mindre enn fem milliarder år gammel. Særlig i galaksens spiralarmer blir det fortsatt dannet nye stjerner av gass og støv fra tidligere generasjoner av stjerner.

NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC/Caltech)/ESA/A. Feild (STScI)/Shutterstock

Stjerner kan være utrolig seiglivede og fortsette å brenne i opp til flere billioner av år, mens universet bare har eksistert i 13,8 milliardene år. I prinsippet kunne noen av de aller første stjernene eksistere den dag i dag.

Men stjerners levealder avgjøres av størrelsen, og det er slett ikke alle stjerner som blir så gamle.

I de største stjernene er trykket så voldsom og temperaturen så høy at de går tom for drivstoff i løpet av noen få millioner år.

280 ganger så tung som solen var den tidlige kjempestjernen som astronomer nå har funnet spor av.

En mellomstor stjerne som solen kan brenne i om lag ti milliarder år. Det er fortsatt kortere tid enn universets alder, men hvis noen de første stjernene var mindre enn solen, såkalte røde dvergstjerner, burde de fortsatt eksistere i galaksen vår.

Men tross fire tiår med leting har ikke astronomene klart å finne en rød dvergstjerne med den rette sammensetningen for en førstegenerasjonsstjerne, altså at den ikke har tyngre grunnstoffer.

Gamle stjerner jupiter

Røde dverger er de minste stjernene – den røde dvergen TRAPPIST-1 er for eksempel bare litt større enn Jupiter –, men ministjernene brenner i billioner av år.

© Mark Garlick/SPL

Kanskje er det ikke så rart at jakten på den første generasjonen av stjerner har vært forgjeves. I dag mener de fleste astronomer nemlig at de opprinnelige stjernene var gigantiske og derfor brant ut på noen få millioner år mens universet fortsatt var ungt.

Datamodeller for stjernedannelsen i det tidlige universet tyder på at det hydrogenet og det heliumet som ble dannet ved big bang, sannsynligvis samlet seg i så store og tette gasskyer at det oppsto superstjerner som var flere hundre ganger så tunge som solen.

De grunnstoffene som ble dannet ved fusjon i de første stjernene, spredte seg ut i universet når stjernene brant ut og eksploderte som supernovaer. Dermed ble universet beriket med tunge grunnstoffer som ble en del av neste generasjon av stjerner.

Gamle stjerner nebula

I restene fra en supernova finnes de tunge grunnstoffene som ble skapt i den eksploderte stjernen. Stoffene inngår i nye stjerner.

© Shutterstock

I løpet av universets historie har stadig mer hydrogen blitt gjort om til tyngre grunnstoffer, så mens den første generasjonen av stjerner ble dannet helt uten grunnstoffer som var tyngre enn litium, inneholder andre generasjon av stjerner opptil 0,1 prosent tunge grunnstoffer. Mange av dem brenner fortsatt, blant annet i Melkeveiens sentrum.

Solen ble først dannet da universet var litt over ni milliarder år gammelt, og tilhører tredje generasjon av stjerner. Den har om lag 1,8 prosent tunge grunnstoffer i seg, mens de stjernene som fødes i dag, inneholder opptil fire prosent tunge grunnstoffer.

10 milliarder år vil solen lyse, men mindre stjerner brenner lenger enn universet har eksistert.

Når vi ser langt ut i universet, ser vi også tilbake i tid siden lyset bruker milliarder av år på å tilbakelegge turen fra de fjerneste stjernene til oss.

Ser man langt nok ut, burde det derfor være mulig å se de første stjernene selv om de for lengst har brent ut. Men tross størrelsen og den enorme lysstyrken er det uhyre vanskelig å få øye på dem fordi de er så langt unna.

Derfor har et internasjonalt team av astronomer fra Japan, USA og Australia nå utviklet en ny, indirekte metode for å finne dem.

Svart hull avslører tidlig stjerne

I stedet for å se lyset fra en førstegenerasjonsstjerne har forskerne funnet spor av de restene som ble igjen da den eksploderte som en supernova. Og her fikk de hjelp fra et enormt svart hull.

I seg selv kan ikke et svart hull sende ut lys, men når store mengder gass suges inn mot det, varmes gassen opp til millioner av grader og lyser ekstremt kraftig opp like før den forsvinner en gang for alle.

Det svarte hullets nærmeste omgivelser kan derfor observeres som et himmellegeme som kalles en kvasar.

Til forskjell fra stjerner er kvasarer så store og lyssterke at de kan observeres selv om de er milliarder av lysår unna.

Kvasaren J1342+0928 er drevet av et enormt svart hull med masse som svarer til 800 millioner soler, og det er i lyset fra den astronomer nå har funnet restene av en opprinnelig stjerne.

Lyset fra kvasaren var på reise i 13,1 milliarder år før det ble fanget opp av det store teleskopet Gemini North på Hawaii.

Gamle stjerner gemini observatory

Teleskopet Gemini North har fanget opp den kjemiske signaturen fra en tidlig kjempestjerne i lyset fra en fjern galakse.

© International Gemini Observatory/Joy Pollard

Ved å dele opp lyset i bølgelengder og finstudere lysspektrumet oppdaget astronomene at gassen rundt det svarte hullet inneholdt uvanlig mye jern og ikke så mye magnesium.

Datasimuleringer viser at en stor førstegenerasjonsstjerne med 280 ganger så mye masse enn solen vil eksplodere som en såkalt parustabil supernova, og det fører nettopp til en gasståke med mange jernatomer og få magnesiumatomer.

Strålende svart hull avslørte gammel stjerne

Universets første stjerner kan ikke sees i dag, men astronomer har nå i stedet funnet de grunnstoffene som en for lengst utbrent stjerne etterlot seg. De fikk hjelp av et enormt svart hull.

Gamle stjerner kæmpe stjerner trin1
© NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine

1 Tidlig stjerne var like tung som 280 soler

For 13,1 milliarder år siden falt en enorm sky av hydrogen og helium sammen under sin egen tyngdekraft og skapte en stjerne så tung som 280 soler. Kjempen skinte ti millioner ganger så sterkt som solen i et par millioner år – før den brant ut.

Gamle stjerner kæmpe stjerner trin2
© NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine

2 Eksplosjon spredte tunge grunnstoffer

I sine siste krampetrekninger eksploderte kjempestjernen som en supernova. Sammensmeltningen av lettere grunnstoffer i stjernens indre hadde skapt enorme mengder tunge grunnstoffer, som ble spredt i universet ved eksplosjonen.

Gamle stjerner kæmpe stjerner trin3
© NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine

3 Gass sender ut stjernens fingeravtrykk

Restene av kjempen ble en del av en såkalt kvasar – en galakse der gass lyser kraftig opp før den forsvinner ned i et svart hull. I lyset fra kvasaren har astronomer nå funnet de kjemiske fingeravtrykkene etter den tidlige stjernen.

En slik fordeling av grunnstoffer er vanskelig å forklare på noen annen måte. Derfor kan astronomene med stor sikkerhet si at en av universets tidligste stjerner endte sine dager i nærheten av det svarte hullet.

Rød prikk er solens bestefar

Oppdagelsen støtter teorien om at i hvert fall en del av de første stjernene var giganter som raskt brant ut og eksploderte som supernovaer.

Astronomene har likevel ikke gitt opp drømmen om å få et glimt av de aller første stjernene mens de fortsatt lyser opp på himmelen.

De setter sin lit til Nasas nye verktøy, James Webb-romteleskopet, som nettopp er lagd for å utforske det tidlige universet.

Selv med Webb-teleskopet blir det vanskelig å observere stjerner som oppsto i den første milliarden år av universets historie, men helt umulig er det ikke. Faktisk har astronomene allerede sett seg ut et mål – det ekstremt fjerne objektet WHL0137-LS, som har fått kjælenavnet Earendel.

Gamle stjerner scaled

Det fjerne objektet med kjælenavnet Earendel er bare en liten rød prikk på bildet fra James Webb-romteleskopet, men prikken er kanskje den eldste stjernen som er observert.

© NASA/ESA/B. Welch (JHU)/D. Coe (STScI)/A. Pagan (STScI)

Teleskopets første bilder av Earendel røper at det sannsynligvis er snakk om en stjerne eller kanskje et system av flere stjerner som lyste opp for 12,9 milliarder år siden.

Men det kreves flere observasjoner før astronomene våger si at den bitte lille røde prikken er en av de første stjernene som ble tent i universet – med andre ord at vi ser på en av solens besteforeldre.