Een recordbrekende, zuurstofarme melkweg zit mogelijk vol met gigantische granaatscherven van sterren

Het meest zuurstofarme stervormende sterrenstelsel ooit vond aanwijzingen dat de eerste sterrenstelsels die na de geboorte van het universum ontstonden, schitterden van superzware sterren die grote zwarte gaten achterlieten.

Zulke sterrenstelsels zijn nu zeldzaam omdat bijna zodra een sterrenstelsel stervorming begint, massieve sterren enorme hoeveelheden zuurstof produceren, het meest voorkomende element in de kosmos na waterstof en helium. Astronomen prijzen de weinige van dergelijke sterrenstelsels die dicht bij huis worden gevonden omdat ze een glimp geven van de omstandigheden in het zeer vroege heelal, voordat sterren veel zuurstof hadden gemaakt (SN: 7-8-19​

De zuurstof-waterstofverhouding van het nieuwe sterrenstelsel – een standaardmaat voor de relatieve zuurstofconcentratie in de kosmos – is dat wel ruim onder de 2 procent van de zon, rapporteren onderzoekers in een paper om te verschijnen in de Astrophysical Journal en online op 22 maart gepost op arXiv.org.

“Het is vrij moeilijk om zo’n zeldzaam object op te pakken”, zegt astrofysicus Takashi Kojima, die samen met collega’s de ontdekking deed toen hij aan de universiteit van Tokio zat.

Met de naam HSC J1631 + 4426, het recordbrekende sterrenstelsel, gevonden met behulp van de Subaru-telescoop op Hawaï, bevindt het zich 430 miljoen lichtjaar van de aarde in het sterrenbeeld Hercules. Het sterrenstelsel is een dwerg, met veel minder sterren die zuurstof produceren dan de Melkweg. Die relatief weinige sterren hebben de runt maar een snufje zuurstof gegeven: één zuurstofatoom voor elke 126.000 waterstofatomen. Dat is slechts 1,2 tot 1,6 procent van het zuurstofniveau in de zon.

“Elk nieuw sterrenstelsel is goed”, zegt Trinh Thuan, een astronoom aan de Universiteit van Virginia in Charlottesville die hielp met het vinden van de vorige kampioen vier jaar geleden. ‘We tellen het aantal [very oxygen-poor galaxies] in de palm van onze hand. ” De zuurstof-waterstofverhouding van het nieuwe sterrenstelsel is 83 procent van die van de vorige recordhouder, J0811 + 4730, die 620 miljoen lichtjaar verwijderd is in het sterrenbeeld Lynx.

In HSC J1631 + 4426 vinden Kojima en zijn collega’s ook vreemde hoeveelheden van een ander chemisch element: ijzer. Hoewel de totale hoeveelheid ijzer in de melkweg laag is, “ontdekten we dat de verhouding tussen ijzer en zuurstof verrassend hoog is”, zegt hij.

Hetzelfde patroon treedt ook op in het zuurstofarme sterrenstelsel in Lynx. Daarentegen hebben oude sterren in de Melkweg meestal weinig ijzer in verhouding tot zuurstof. Dat komt omdat pasgeboren sterren het grootste deel van hun ijzer halen uit de explosies van langlevende sterren. Die explosies hadden zich niet voorgedaan toen de oudste sterren van de Melkweg werden gevormd. Maar in de twee bijna ongerepte melkwegstelsels is de hoeveelheid ijzer in verhouding tot zuurstof even hoog als die van de zon, die grote hoeveelheden van beide elementen van eerdere generaties sterren heeft verworven.

“Dit is een heel ongebruikelijk patroon, en het is niet duidelijk hoe dat moet worden uitgelegd”, zegt Volker Bromm, een astrofysicus aan de Universiteit van Texas in Austin die niet betrokken was bij de ontdekking.

Vlak voordat Kojima zijn Ph.D. in 2020 kwam hij op een mogelijke verklaring: sterren met een hoge massa in dichte sterrenhopen versmolten tot stellaire goliaths die meer dan 300 keer zo zwaar zijn als de zon. Deze supersterren explodeerden vervolgens en overlaadden hun galactische huizen met zowel ijzer als zuurstof, wat leidde tot hoge ijzer-zuurstofverhoudingen in de twee primitieve sterrenstelsels en een bron van het weinige zuurstof dat daar bestaat.

Er zijn geen sterren die zo massief zijn in de moderne Melkweg. Maar Kojima zegt dat hun aanwezigheid in de twee meest zuurstofarme sterrenstelsels suggereert dat oerstelsels ze ook hadden.

Toen de supersterren stierven, hadden ze zwarte gaten van gemiddelde massa moeten achterlaten, die meer dan 100 keer zo zwaar zijn als de zon (SN: 9/2/20​ Dat is ongeveer 10 keer zo zwaar als typische zwarte gaten, die kunnen ontstaan ​​wanneer heldere sterren afsterven.

Kojima’s team ziet bewijs voor deze grote zwarte gaten in de nieuw ontdekte melkweg. Gas dat rond zulke grote zwarte gaten wervelt, moet zo heet worden dat het hoogenergetische fotonen of lichtdeeltjes uitstraalt. Vanwege hun hoge energie zouden deze fotonen elektronen scheuren, zelfs van heliumatomen, die zich stevig aan hun elektronen vastklampen, en de atomen in positief geladen ionen veranderen. En ja hoor, het sterrenstelsel in Hercules zendt een golflengte van blauw licht uit dat afkomstig is van precies zulke heliumionen.

Het recordbrekende melkwegstelsel is “een opwindende vooruitblik op wat komen gaat”, zegt Bromm. In de komende jaren, zegt hij, zullen enorme telescopen openen die nog extremere sterrenstelsels zullen vinden (SN: 1/10/20​ “Dan zullen we een wonderbaarlijk complementaire manier hebben om meer te weten te komen over het vroege universum.”