Helt siden astronomer innså at universet er i en konstant ekspansjonstilstand og at en massiv eksplosjon sannsynligvis startet det hele for 13,8 milliarder år siden (Big Bang), har det vært uavklarte spørsmål om når og hvordan de første stjernene dannet seg. Basert på data samlet av NASAs Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) og lignende oppdrag, antas dette å ha skjedd omtrent 100 millioner år etter Big Bang.
Mye av detaljene om hvordan denne komplekse prosessen fungerte har forblitt et mysterium. Nye bevis samlet av et team ledet av forskere fra Max Planck Institute for Astronomy indikerer imidlertid at de første stjernene må ha dannet seg ganske raskt. Ved hjelp av data fra Magellan-teleskopene ved Las Campanas observatorium, observerte teamet en sky av gass der stjernedannelse fant sted bare 850 millioner år etter Big Bang.
Studien som beskrev funnene deres, som nylig dukket opp i Astrophysical Journal, ble ledet av Eduardo Bañados. Et medlem ved Carnegie Institution for Science den gangen, observerte Banados og hans kolleger gassskyen mens de gjorde oppfølgingsobservasjoner på en undersøkelse av 15 av de fjerneste kvasarene som er kjent.
Denne undersøkelsen ble utarbeidet av Chiara Mazzucchelli, en astronom med European Southern Observatory (ESO) og en medforfatter på studien, som en del av doktorgraden. forskning ved Max Planck Institute for Astronomy. Mens de undersøkte spektraene til en kvasar spesielt (P183 + 05), bemerket de at den hadde noen ganske særegne trekk.
Ved å bruke 6,5 m Magellan-teleskoper fra Carnegie-institusjonen ved Las Campanas-observatoriet i Chile, kjente Banados og kollegene sine spektakulære funksjoner for det de var: en nærliggende gasssky som ble opplyst av kvasaren. Spektrene fortalte dem også hvor langt gassskyen var fra Jorden - over 13 milliarder lysår unna - noe som gjorde det til det fjerneste som noensinne er observert og identifisert av astronomer.
I tillegg fant de spektre som indikerte tilstedeværelsen av spormengder av elementer som karbon, oksygen, jern og magnesium - kjemisk betegnet som "metaller" siden de er tyngre enn helium. Slike elementer ble skapt i løpet av det tidlige universet da de første generasjonene av stjerner (alias “populasjon III”) slapp dem ut i kosmos etter at de nådde slutten av levetiden og eksploderte som supernovaer.
Som Michael Rauch, en astronom fra Carnegie Institution of Science og en medforfatter av den nye studien, sa:
"Etter at vi var overbevist om at [vi] så på uberørt gass bare 850 millioner år etter Big Bang, begynte vi å lure på om dette systemet fremdeles kunne beholde kjemiske signaturer produsert av den aller første generasjonen stjerner."
Å finne den første generasjonen stjerner har lenge vært målet for astronomer siden det ville gi rom for en mer omfattende forståelse av universets historie. Etter hvert som tiden gikk spilte elementer som var tyngre enn hydrogen en nøkkelrolle i dannelsen av stjerner, der materie klumper seg sammen på grunn av gjensidig tiltrekning og deretter gjennomgår gravitasjonskollaps.
Siden det kun antas at hydrogen og helium har eksistert i universet etter Big Bang, hadde ikke den første generasjonen stjerner disse kjemiske elementene - noe som gjør dem forskjellige fra hver generasjon som fulgte. Det var derfor overraskende å merke en relativ overflod av disse elementene i en så tidlig gasssky, som faktisk var sammenlignbar med hva astronomer ser i intergalaktiske gassskyer i dag.
Disse observasjonene utgjør en stor utfordring for konvensjonelle teorier om hvordan de første stjernene i vårt univers ble dannet. I hovedsak indikerer det at stjernedannelse må ha begynt mye tidligere for å produsere disse kjemiske elementene. Basert på studier med type Ia-supernovaer, anslås det at eksplosjonene som er nødvendige for å produsere disse metaller med den observerte overflod, vil ta omtrent 1 milliard år å skje.
Kort sagt, forskere kan ha vært borte av omtrent en generasjon når det gjelder da de første stjernene ble født, noe som tyder på at det kan ha vært noen rundt de første universene i universet. Dette betyr effektivt at de første stjernene ville ha måttet danne seg ganske raskt fra den urte suppen av hydrogen og helium som var det tidlige universet. Dette funnet kan ha alvorlige implikasjoner for teorier om kosmisk evolusjon.
Som Bañados sa, er målet nå å bekrefte dette ved å finne flere gassskyer som har lignende kjemiske forekomster:
”Det er spennende at vi kan måle metallisitet og kjemiske overflod så tidlig i universets historie, men hvis vi ønsker å identifisere signaturene til de første stjernene, må vi undersøke enda tidligere i den kosmiske historien. Jeg er optimistisk for at vi vil finne enda fjernere gassskyer, noe som kan hjelpe oss å forstå hvordan de første stjernene ble født. ”
Relativitet forteller oss at rom og tid er to uttrykk for den samme virkeligheten. Ergo, ved å se lenger ut i universet, ser vi også lenger tilbake i tid. På denne måten har astronomer kunnet justere sine kosmologiske modeller og ideer om hvordan og når alt begynte. Å vite at de første stjernene i universet kunne ha sitt opphav presset tilbake til en enda tidligere tid; Vel, det er bare en del av læringskurven!
