16.03.22: En rød kjempestjerne med en merkelig kjemisk sammensetning har gitt kunnskap om spektakulære hendelser i Melkeveiens barndom. For omtrent 13 milliarder år siden, noen hundre millioner år etter at galaksen ble til, eksploderte trolig en masserik stjerne som en såkalt magneto-rotasjons-hypernova – en eksplosjon 10 ganger mer energirik enn ordinære supernovaer.

av Knut Jørgen Røed Ødegaard

Den første generasjonen med stjerner eksploderte som spesielt voldsomme supernovaer og hypernovaer. Dette kosmiske fyrverkeriet spredde grunnstoffene som gjorde det mulig for mer normale stjerner og planeter å oppstå.
Illustrasjon: A. Schaller (STScI)

Alle grunnstoffer som er tyngre enn hydrogen og helium er dannet i stjerner og deretter blitt slynget ut i rommet slik at de har blitt med i nye generasjoner stjerner. Det betyr at stjerner som inneholder stoff som har vært innom flere stjernegenerasjoner gjerne har større konsentrasjoner av tunge grunnstoffer enn stjerner som er dannet av restene fra den generasjonen stjerner. Ved hjelp av avanserte datamodeller kan forskerne finne ut hva slags stjerner og stjerneeksplosjoner gassen kommer fra. Vi vet f.eks. at stoffet Solen og planetene i vårt solsystem er dannet av, har blitt omdannet i to og kanskje tre runder.

Gamle stjerner med spesielt lave konsentrasjoner av tunge grunnstoffer kan fortelle oss mye interessant om de tidligste fasene i Melkeveiens utvikling – rett og slett fordi stoffet de inneholder kommer fra galaksens barndom.

Den 13 milliarder år gamle stjernen SMSS J200322.54-114203.3 er en rød kjempe som befinner seg 7500 lysår fra Jorden og har et ekstremt lavt innhold av tunge grunnstoffer, rundt en 3000-del av hva Solen har. Samtidig er fordelingen av de tunge grunnstoffene veldig spesiell – det er uvanlig mye av sink, uran, europium og trolig gull, men mindre relativ mengde av andre tunge grunnstoffer enn i andre stjerner fra samme tid.

Forklaringen er trolig at en ekstrem stjerneeksplosjon – en magneto-rotasjons-hypernova – har dannet grunnstoffene gjennom den såkalte r-prosessen. Denne prosessen foregår i voldsomme stjerneeksplosjoner der enorme mengder med nøytroner blir slått løs fra atomkjernene. Nøytronene binder seg til eksisterende atomkjerner på en slik måte at svært tunge grunnstoffer kan bli dannet i større mengder.

Den unnselige stjernen midt på bildet (markert med et kryss) har en sjelden kjemisk sammensetning som har gitt unik kunnskap om forholdene i Melkeveiens barndom. Stjernen har betegnelsen SMSS J200322.54-114203.3 og befinner seg 7500 lysår unna oss og på grensen mellom stjernebildene Capricornus og Sagittarius.
Foto: Da Costa/SkyMapper

Den vanlige dannelsesmåten for grunnstoffer ved r-prosessen er når nøytronstjerner smelter sammen. Slike sammensmeltninger har blitt observert flere ganger siden 2017, men den relative fordelingen av de svært tunge grunnstoffene er ganske annerledes i disse tilfellene. Se også Nøytronstjernekollisjon i nabolaget!

Kunstnerisk fremstilling av to nøytronstjerner som er i ferd med å smelte sammen og forårsake en eksplosjon kalt en kilonova. Samtidig utløses et kortvarig gammaglimt, og gravitasjonsbølgene som sendes ut kan observeres på store avstander og avsløre hva som har hendt.
Illustrasjon: University of Warwick/Mark Garlick

Kunstnerisk fremstilling av to nøytronstjerner som sirkler mot hverandre og snart kommer til å smelte sammen. Under denne sirklingen blir det sendt ut gravitasjonsbølger (vist som spiralmønster).
Illustrasjon: CfA

En forskergruppe ledet av David Yong, Gary Da Costa og Chiaki Kobayashi fra Australias ARC Centre of Excellence in All Sky Astrophysics in 3 Dimensions (ASTRO 3D) ved Australian National University (ANU) mener å kunne dokumentere at kun en hypernova som er dannet når en raskt roterende, svært magnetisk og masserik stjerne kollapser, kan forklare den spesielle sammensetningen til den gamle stjernen. Hypernovaen må ha eksplodert før stjernen SMSS J200322.54-114203.3 ble dannet og mens Universet var mindre enn en milliard år gammelt.

Stjernen som eksploderte hadde trolig mellom 25 og 40 ganger Solens masse, roterte raskt og hadde et sterkt magnetfelt. I kjernen av slike stjerner omdannes gassen til stadig tyngre grunnstoffer inntil stjernen består av lag på lag med ulike grunnstoffer og med en kjerne av jern i midten.

Da jernkjernen begynte å kollapse, ble magnetfeltet ytterligere forsterket og styrte eksplosjonen ut langs de magnetiske polene til stjernen. På denne måten ble det dannet to intense jetstråler som sprengte seg vei ut av stjernen og ut i rommet. Fra disse strålene ble det også sendt ut intens gammastråling – et gammaglimt!

Fra den kollapsede kjernen ble ekstremt intense sjokkbølger sendt ut mot overflaten –sjokkbølger som blåser stjernen i filler når gammaglimt oppstår. Men det er også disse sjokkbølgene som i svært en kort periode øker trykk og temperatur så mye at den superraske r-prosessen settes i gang («r»-en står for «rapid» – «rask»).

Mens hypernovaer med minst 10 ganger energien til supernovaer har vært kjent siden slutten av 1990-tallet, er dette første gang forskerne har oppdaget en hypernova-eksplosjon som kombinerer både rask rotasjon og sterk magnetisme og dermed forårsaker en ny måte grunnstoffer kan dannes på gjennom r-prosessen.

Slik har grunnstoffene blitt til! Mange tunge grunnstoffer er dannet gjennom sammensmeltning mellom nøytronstjerner – en prosess som har en konkurrent i magneto-rotasjons-hypernovaer.
Illustrasjon: Jennifer Johnson, Ohio State University / Sannes & Ødegaard

Klikk på “Liker” og få melding når nye saker legges ut!

MER INFORMASJON

Space.com: Rare 'hypernova' explosion detected on fringes of the Milky Way for the first time

Artikkel på nature.com

Pressemelding fra eurekalert.org

Mer informasjon om supernovaer og hypernovaer