Die ersten Sterne erleuchteten das Universum während der kosmischen Morgendämmerung und beendeten das kosmische „dunkle Zeitalter“, das auf den Urknall folgte. Allerdings ist die Verteilung ihrer Masse eines der großen ungelösten Rätsel des Kosmos.
Numerische Simulationen der Entstehung der ersten Sterne gehen davon aus, dass die Masse der ersten Sterne mehrere Hundert Sonnenmassen erreichte. Unter ihnen endeten die ersten Sterne mit Massen zwischen 140 und 260 Sonnenmassen als Paarinstabilitäts-Supernovae (PISNe). PISNe unterscheiden sich deutlich von gewöhnlichen Supernovae (z. B. Supernovae vom Typ II und Typ Ia) und hätten der Atmosphäre der Sterne der nächsten Generation eine einzigartige chemische Signatur eingeprägt. Eine solche Signatur wurde jedoch nicht gefunden.
Eine neue Studie unter der Leitung von Prof. Zhao Gang von den Nationalen Astronomischen Observatorien der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (NAOC) hat einen chemisch eigenartigen Stern (LAMOST J1010+2358) im galaktischen Halo als klaren Beweis für die Existenz von PISNe mit sehr großer Masse identifiziert ersten Sterne im frühen Universum, basierend auf der Durchmusterung des Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope (LAMOST) und der anschließenden hochauflösenden Spektrenbeobachtung durch das Subaru Telescope. Es wurde bestätigt, dass dieser Stern in der Gaswolke entstanden ist, die von den Erträgen eines PISN mit 260 Sonnenmassen dominiert wird.
Zum Team gehören auch Forscher der Yunnan Observatories of CAS, des National Astronomical Observatory of Japan und der Monash University, Australien.
Diese Studie wurde online veröffentlicht in Natur.
Das Forschungsteam hat mit dem Subaru-Teleskop eine hochauflösende spektroskopische Nachbeobachtung für J1010+2358 durchgeführt und Häufigkeiten für mehr als zehn Elemente abgeleitet. Das wichtigste Merkmal dieses Sterns ist sein extrem geringer Natrium- und Kobaltgehalt. Sein Natrium-Eisen-Verhältnis liegt unter 1/100 des Sonnenwertes. Dieser Stern weist auch eine sehr große Häufigkeitsvarianz zwischen Elementen mit ungerader und gerader Ladungszahl auf, wie z. B. Natrium/Magnesium und Kobalt/Nickel.
„Die besondere Ungerade-Gerade-Varianz sowie der Mangel an Natrium und α-Elementen in diesem Stern stimmen mit der Vorhersage des ursprünglichen PISN von Sternen der ersten Generation mit 260 Sonnenmassen überein“, sagte Dr. Xing Qianfan, Erstautor des Buches lernen.
Die Entdeckung von J1010+2358 ist ein direkter Beweis für die hydrodynamische Instabilität aufgrund der Produktion von Elektron-Positron-Paaren in der Theorie der Entwicklung sehr massereicher Sterne. Die Bildung von Elektron-Positron-Paaren verringert den thermischen Druck im Kern eines sehr massereichen Sterns und führt zu einem teilweisen Kollaps.
„Es liefert einen wesentlichen Hinweis darauf, die anfängliche Massenfunktion im frühen Universum einzuschränken“, sagte Prof. Zhao Gang, korrespondierender Autor der Studie. „Vor dieser Studie wurden in den metallarmen Sternen keine Hinweise auf Supernovae von so massereichen Sternen gefunden.“
Darüber hinaus ist die Eisenhäufigkeit von LAMOST J1010+2358 ([Fe/H] = -2,42) ist viel höher als die metallärmsten Sterne im galaktischen Halo, was darauf hindeutet, dass die im PISN-dominierten Gas gebildeten Sterne der zweiten Generation möglicherweise metallreicher sind als erwartet.
„Einer der heiligen Grale bei der Suche nach metallarmen Sternen besteht darin, Beweise für diese frühen Supernovae mit Paarinstabilität zu finden“, sagte Prof. Avi Loeb, ehemaliger Vorsitzender der Astronomieabteilung der Harvard University.
Prof. Timothy Beers, Lehrstuhlinhaber für Astrophysik an der Notre Dame University, kommentierte die Ergebnisse: „Dieses Papier stellt meines Wissens nach die erste definitive Assoziation eines galaktischen Halosterns mit einem Häufigkeitsmuster dar, das von einem PISN stammt.“
Mehr Informationen:
Zhao Gang et al., Ein metallarmer Stern mit Häufigkeiten aus einer Supernova mit Paarinstabilität, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06028-1