15.04.22: Studier av den første generasjonen stjerner som fantes i Universet – noen hundre millioner år etter Big Bang – er ekstremt viktig for å forstå Universets, galaksenes og stjernenes utvikling, men også ekstremt vanskelig å gjennomføre fordi vi må se mer enn 13 milliarder år tilbake i tid. Nå har en tilfeldig kosmisk opplinjering gitt forskerne et glimt av den suverent fjerneste og tidligste stjernen som noen gang er oppdaget!

av Knut Jørgen Røed Ødegaard

En enorm galaksehop forsterker og forvrenger lyset fra en bakenforliggende galakse. På lysbuen som oppstår kan en enkeltstjerne observeres.
Foto: (vitenskapelig) NASA, ESA, Brian Welch (JHU), Dan Coe (STScI)
Billedbehandling: NASA, ESA, Alyssa Pagan (STScI)

Galakser inneholder milliarder av stjerner og gjør det svært utfordrende å skulle observere enkeltstjerner milliarder av lysår unna. Enkeltstjerner kan i utgangspunktet bare observeres i vår egen galakse Melkeveien og de nærmeste nabogalaksene, men i 2018 ble det oppdaget en stjerne hele 9 milliarder lysår fra Jorden (kosmologisk rødforskyvning z=1,5) ved hjelp av den såkalte mikrolinsemetoden som ble oppdaget og utviklet av nordmannen Sjur Refsdal. Denne stjernen, som ble kalt Icarus, ser vi slik den var rundt 4 milliarder år etter Big Bang.

Stjernen som nå er oppdaget med en tilsvarende metode, blir kalt Earendel («morgenstjerne» på gammel-engelsk) og representerer et stort gjennombrudd i letingen etter Universets førstegenerasjonsstjerner (såkalte populasjon III-stjerner) – de aller første stjernene som ble dannet etter Big Bang. Disse stjernene inneholdt kun hydrogen og helium (ikke tyngre grunnstoffer) og hadde derfor trolig andre egenskaper enn dagens stjerner. Grunnstoffene disse stjernene dannet og spredte la grunnlaget for senere generasjoner stjerner samt planeter, men kan også ha etterlatt seg supertunge sorte hull og andre spor som har formet Universet og galaksene helt frem til vår tid.

Earendel er så langt unna at lyset fra stjernen har brukt 12,9 milliarder år på å nå Jorden, noe som betyr at vi ser stjernen på et tidspunkt da Universet bare hadde 7 % av sin nåværende alder. Den kosmologiske rødforskyvning til stjernen er z=6,2 – hele 4 ganger (!) den gamle rekorden!

Normalt fremstår selv store galakser med mange milliarder stjerner kun som små flekker på slike avstander. Oppdagelsen var derfor så spektakulær og uventet at forskerne først ikke trodde på dette selv, men dataene var entydige. Oppdagelsen ble gjort fra data samlet av Hubbles RELICS-program (Reionization Lensing Cluster Survey). Vertsgalaksen til stjernen Earendel har blitt forstørret og lyset forvrengt av en kraftig gravitasjonslinse og omgjort til en lysende bue som forskerne kaller «Sunrise Arc» - soloppgangsbuen.

Bilde av galakser som befinner seg så langt unna oss at lyset har brukt 12,9–13,3 milliarder år på å nå oss. Dette er det mest ressurskrevende bildet som noen gang er tatt med romteleskopet Hubble og inneholder hele 265 000 galakser, hver med mange milliarder stjerner. Høyreklikk på bildet for å laste ned fullversjonen på 115 MB.
Foto: NASA, ESA, G. Illingworth and D. Magee (University of California, Santa Cruz), K. Whitaker (University of Connecticut), R. Bouwens (Leiden University), P. Oesch (University of Geneva), and the Hubble Legacy Field team.

Etter å ha studert galaksen i detalj, fant forskerne ut at en liten flekk i buen er en ekstremt forstørret stjerne – Earendel. Oppdagelsen er trolig det aller første glimtet inn i et nytt forskningsområde – dannelsen og utviklingen av de første stjernene. Det nye romteleskopet James Webb som snart kommer i drift, blir i stand til mye mer systematisk å søke etter og undersøke de første stjernene. Dette er svært etterlengtede observasjoner som vil gi fantastisk ny kunnskap innen en rekke felt av astronomien.

Nærbilde av «Sunrise arc» og stjernen Earendel.
Foto: (vitenskapelig) NASA, ESA, Brian Welch (JHU), Dan Coe (STScI)
Billedbehandling: NASA, ESA, Alyssa Pagan (STScI)

Kosmisk superlinse

Earendel kommer som nevnt over etter hvert til å bli studert grundig med James Webb-teleskopet, men foreløpige data tyder på at stjernen har svært stor masse – minst 50 ganger Solens, og at den sender ut flere millioner ganger mer energi. Dermed hører Earendel til de mest masserike og lyssterke stjernene i Universet, men vi vet imidlertid ikke om denne stjernen, i likhet med mange andre masserike stjerner, har en eller flere ledsagere. Foreløpig vet vi heller ikke sikkert om Earendel virkelig er en førstegenerasjonsstjerne eller om den inneholder materiale fra stjerner som allerede har rukket å eksplodere, men Earendel passer bra med de forventede egenskapene til populasjons III-stjerner.

Selv med sin enorme lysstyrke ville ikke Earendel vært synlig for romteleskopet Hubble på 12,9 milliarder lysårs avstand uten at naturen selv hadde hjulpet til. Den enorme galaksehopen WHL0137-08 befinner seg nemlig mellom oss og Earendel. Tyngdekreftene fra hopen bøyer rommet rundt seg og fungerer derfor som et enormt, naturlig forstørrelsesglass som forvrenger og forsterker lyset fra bakenforliggende objekter. Men slike gravitasjonsforsterkninger varierer kraftig over den relativt store flaten som galaksehopen utgjør (fenomenet minner om lysmønsteret på bunnen av et svømmebasseng på en solskinnsdag). I dette tilfellet befinner stjernen seg bak et punkt med spesielt sterk gravitasjonseffekt slik at lysstyrken er forsterket minst 1000 ganger – og stjernen er derfor observerbar selv fra vår avstand.

En enorm galaksehop som fokuserer, forstørrer og forsterker lyset fra en bakgrunnsgalakse.
Illustrasjon: Peter Laursen

Hver enkelt stjerne i galaksene i galaksehopen kan i sin tur medføre en ytterligere forsterkning av lyset fra bakgrunnsobjektet. Dette kalles gravitasjonell mikrolinsing.
Illustrasjon: Wikipedia

Forsmak på Webb-teleskopet

Tyngdekreftene fra den enorme galaksehopen gir oss et glimt inn i hva vi kan vente når James Webb-teleskopet kommer i drift senere i år. Dette teleskopet vil kunne observere i infrarødt lys og derfor objekter som har blitt kraftig rødforskjøvet på grunn av Universets ekspansjon over stor avstand.

Forskerne håper at Webb-teleskopet skal bekrefte at Earendel virkelig er en stjerne, samt måle lysstyrke, temperatur og kjemisk sammensetning for å finne mer nøyaktig stjernetype og om det faktisk dreier seg om en populasjon III-stjerne. Sjansen anses for å være liten for det sistnevnte, men Earendel er i tilfelle den første som er observert.

Bilde (uten tekst og symboler) av den enorme galaksehopen og bakenforliggende objekter som er påvirket av linseeffekten
Foto: (vitenskapelig) NASA, ESA, Brian Welch (JHU), Dan Coe (STScI)
Billedbehandling: NASA, ESA, Alyssa Pagan (STScI)

MER INFORMASJON

Pressemelding fra STScI

scitechdailey.com: Astronomers Spot the Most Distant Single Star Ever Seen Using a Cosmic Telescope Predicted by Einstein

Wikipedia-liste over de fjerneste objektene som er observert

astroevents.no: Den forrige avstandsrekorden

Flere saker om stjerner