Tähtitieteilijät ovat löytäneet kaukaisista kaasupilvistä ensimmäisten tähtien jättämiä kemiallisia jälkiä

eso2306fi — Tutkimustiedote, suomennos Pasi Nurmi, Turun yliopisto

Tutkijat ovat löytäneet ESO:n VLT-kaukoputken (Very Large Telescope) avulla ensimmäistä kertaa merkkejä ensimmäisten tähtien räjähdysten jäänteistä. He havaitsivat kolmea kaukaista kaasupilveä, joiden koostumus vastaa sitä, mitä odotamme ensimmäisten tähtien räjähdysten jäänteiltä. Havainnot auttavat meitä ymmärtämään paremmin alkuräjähdyksen jälkeen muodostuneiden ensimmäisten tähtien ominaisuuksia.

Tässä taiteilijan tekemässä kuvassa on kaukainen kaasupilvi, joka sisältää erilaisia alkuaineita. Kuvassa on myös piirroksia eri atomeista. Tähtitieteilijät ovat ESO:n VLT-kaukoputken (Very Large Telescope) avulla havainneet kolmea kaukaista kaasupilveä, joiden kemiallinen koostumus vastaa sitä, mitä odotamme ensimmäisiltä maailmankaikkeuteen ilmestyneiden tähtien räjähdyksiltä. Kuva ESO/L. Calçada, M. Kornmesser.

"Olemme ensimmäistä kertaa pystyneet tunnistamaan ensimmäisten tähtien räjähdysten kemialliset jäljet hyvin kaukaisissa kaasupilvissä", kertoi Observatoire de Paris - PSL:n tohtoriopiskelija Andrea Saccardi, joka oli tämän tutkimuksen päätekijänä Firenzen yliopistosta maisterityönsä aikana.

Tutkijoiden mukaan maailmankaikkeuteen muodostuneet ensimmäiset tähdet olivat hyvin erilaisia kuin ne, joita näemme nykyään. Niiden ilmestyttyä maailmankaikkeuteen 13,5 miljardia vuotta sitten, ne sisälsivät vain vetyä ja heliumia, jotka ovat luonnossa esiintyvistä alkuaineista yksinkertaisimpia [1]. Nämä tähdet, joiden arvellaan olleen kymmeniä tai satoja kertoja Aurinkoamme suurempia, ja katosivat nopeasti supernovaksi kutsutuissa voimakkaissa räjähdyksissä. 

Supernovien jäännökset rikastuttivat ympäröivää kaasua ensimmäistä kertaa raskaammilla alkuaineilla. Tuosta rikastetusta kaasusta syntyi myöhemmin uusia tähtisukupolvia, jotka puolestaan levittivät kuollessaan raskaampia alkuaineita ympäristöönsä. Ensimmäiset tähdet ovat kuitenkin jo hävinneet kauan sitten, joten miten tutkijat voivat saada niistä tietoa? "Varhaisia tähtiä voidaan tutkia epäsuorasti havaitsemalla alkuaineita, joita ne ovat levittäneet ympäristöönsä supernovina", sanoi Stefania Salvadori, Florencen yliopiston apulaisprofessori ja yksi Astrophysical Journal -lehdessä julkaistun tutkimuksen kirjoittajista.

Chilessä sijaitsevan ESO:n VLT:llä otetun datan avulla tutkimusryhmä löysi kolme hyvin kaukaista kaasupilveä ajalta, jolloin universumi oli vain 10–15 prosenttia nykyisestä iästään. Ryhmä havaitsi kemiallisen sormenjäljen, joka vastaa sitä, mitä ensimmäisten tähtien räjähdyksiltä odotamme. Näiden alkutähtien massasta ja niiden räjähdysten energiasta riippuen näistä ensimmäisistä supernovista vapautui ympäristöönsä erilaisia alkuaineita, kuten hiiltä, happea ja magnesiumia, joita on tähtien ulkokerroksissa. Osa näistä räjähdyksistä ei kuitenkaan ollut tarpeeksi voimakkaita raskaampien alkuaineiden levittämiselle, kuten raudalle, jota esiintyy vain tähtien ytimessä. 

Etsiäkseen paljastavia merkkejä näistä ensimmäisistä tähdistä, jotka räjähtivät matalan energian supernovina, tutkimusryhmä etsi sellaisia kaukaisia kaasupilviä, joissa on vähän rautaa, mutta runsaasti muita alkuaineita. He havaitsivat juuri tämän, eli kolme kaukaista varhaisen universumin pilveä, joissa oli hyvin vähän rautaa, mutta runsaasti hiiltä ja muita alkuaineita. Tämä oli ensimmäisten tähtien räjähdysten kemiallinen jälki.

Myös monissa oman galaksimme vanhoissa tähdissä on havaittu sama erikoinen kemiallinen koostumus. Tutkijat kutsuvat näitä toisen sukupolven tähdiksi, jotka ovat muodostuneet suoraan ensimmäisten tähtien 'tuhkasta'. Tässä esitellyssä tutkimuksessa vastaavaa 'tuhkaa' on löydetty varhaisesta maailmankaikkeudesta, mikä on lisännyt palapeliin siitä puuttuvan palan. "Löytömme avaa uusia mahdollisuuksia tutkia epäsuorasti ensimmäisten tähtien ominaisuuksia samalla täydentäen tutkimuksia oman galaksimme tähdistä", kertoi Salvadori.

Havaitakseen ja tutkiakseen näitä kaukaisia kaasupilviä tutkimusryhmä hyödynsi kvasaareina tunnettuja valomajakoita. Ne ovat hyvin kirkkaita kohteita, joiden energianlähteenä ovat kaukaisten galaksien keskustoissa olevat supermassiiviset mustat aukot. Kvasaarin valon kulkiessa maailmankaikkeuden läpi, se kulkee myös kaasupilvien läpi, joissa olevat eri alkuaineet jättävät jälkiä valoon.

Näiden kemiallisten jälkien löytämiseksi tutkimusryhmä analysoi useista kvasaareista kerättyjä tietoja, jotka oli havaittu ESO:n VLT:n X-shooter-instrumentilla. X-shooter hajottaa valon useisiin eri aallonpituuksiin, eli väreihin, mikä tekee siitä ainutlaatuisen instrumentin, jonka avulla näissä kaukaisissa pilvissä olevia eri alkuaineita voidaan tunnistaa.

Tämä tutkimus avaa uusia näkymiä seuraavan sukupolven teleskoopeille ja instrumenteille, kuten ESO:n tulevalle Erittäin suurelle kaukoputkelle (ELT) ja sen korkean resoluution ArmazoNes high Dispersion Echelle Spectrograph, ANDES-instrumentille. "ELT:n ANDES:in avulla voimme tutkia näitä harvinaisia kaasupilviä tarkemmin, ja pystymme vihdoin selvittämään ensimmäisten tähtien salaperäistä luonnetta", totesi Italian kansallisen Astrofysiikan laitoksen tutkija Valentina D’Odorico lopuksi.

 

Huomautukset

[1] Alkuräjähdyksen jälkeen ensimmäisten minuuttien aikana maailmankaikkeudessa oli vain kolmea kevyintä alkuainetta: vetyä, heliumia ja hieman litiumia. Raskaammat alkuaineet muodostuivat tähdissä paljon myöhemmin.

 

Tässä esitelty tutkimus on julkaistu Astrophysical Journal -lehden artikkelissa (DOI 10.3847/1538-4357/acc39f).