Spåren efter de första stjärnorna kan ses än i dag

 

Bild  https://www.bath.ac.uk  Datasimulering av de första galaxerna i universum. Kredit: Harley B. Katz, Martin P. Rey

Forskare har använt några av de mest detaljerade datasimuleringarna hittills av det tidiga universum till att undersöka hur de första stjärnorna och galaxerna bildades.

Under ledning av forskare vid University of Bath, tillsammans med samarbetspartners vid University of Chicago i USA och Institut d'Astrophysique de Paris i Frankrike, använde de i MEGATRON-projektet 

avancerade simuleringar för att utforska hur de första stjärnorna och galaxerna lyste upp det tidigare mörka kosmos och berikade det med de kemiska grundämnen som senare skulle bli byggstenarna till allt.

Resultaten av studien av de första stjärnorna visar att det är avgörande att noggrant fånga samspelet mellan stjärnljus, gas och nybildade grundämnen för att koppla samman två tidigare separata vyer av det tidiga universum (det mörka och det ljusa universum eller mörka och synliga universum). Arbetet innefattade observationer av unga galaxer med  hjälp avJames Webb Space Telescope (JWST) av de kemiska ledtrådar som bevarats i uråldriga stjärnor i och runt Vintergatan.

Studiens resultat antyder att förenklade datamodeller kan underskatta stjärnstrålningens komplexa kemiska processers påverkan på gasen runt galaxerna. Genom att modellera dessa effekter med exceptionellt hög upplösning löste teamet upp strukturer i gasen som inte fångas upp i enklare datamodeller vilket hjälpte till att förbättra förutsägelserna för nuvarande och framtida astronomiska observationer. Dr Martin Rey från fysikinstitutionen vid University of Bath  ledande bidragsgivare till MEGATRON-samarbetet, påtalar: "James Webb Space Telescope ger oss en direkt inblick i det unga kosmos, medan stjärnarkeologi låter oss studera reliker från de tidigaste tiderna i vårt galaktiska grannskap”.

Simuleringarna började med orörd gas utan tunga grundämnen vilket speglar förhållandena strax efter Big Bang. De följer sedan de första stjärnornas tillblivelse den strålning de då avger, supernovaexplosionerna som markerar deras utplåning och spridningen av nyss uppkomna grundämnen till efterföljande generationer av stjärnor och galaxer.

Att förstå denna process är centralt för en av astronomins mest grundläggande frågor, varifrån grundämnena som utgör dagens universum kommer.

Dr Rey beskriver: "De grundämnen som gör vår värld och vårt liv möjligt  kol, syre, järn  med flera  smiddes av stjärnor och då till stor del vid supernovor. För att förstå var dessa grundämnen kom ifrån måste vi förstå hur de första stjärnorna bildades och berikade sin omgivning. I MEGATRON projeketet görs det möjligt  att testa dessa idéer direkt genom att jämföra detaljerade datasimuleringar med observationer från JWST och de kemiska fingeravtryck som bevarats i uråldriga stjärnor."

Framåt planerar teamet att använda MEGATRON för att stärka kopplingarna mellan teori och framväxande observationsdata. MEGATRON-projektet startade 2023 och är planerat att pågå till 2030. När JWST fortsätter att förändra vår förståelse av de tidigaste galaxerna kommer storskaliga stjärnundersökningar att ge alltmer detaljerad information om uråldriga stjärnor i och runt Vintergatan.

Fyra studier är publicerade i Open Journal of Astrophysics från MEGATRON-projektet där man kombinerade banbrytande kosmologiska simuleringar med sofistikerade modeller av strålning, kemi och galaxbildning. Tillsammans utgör dessa samarbetets första betydande publicerade resultat, med förväntade ytterligare artiklar att följa. 

Nya viktiga mätningar av det tidiga universum

 

Bild NASA Forskarteamet fokuserade på 15 av de mest opåverkade  små, avlägsna galaxer som upptäckts för dessa artiklar (se nedan).

Ett internationellt team, inklusive forskare vid University of Minnesota Twin Cities, har nått en viktig milstolpe inom "precisionskosmologi" genom att mäta mängden helium som skapades under universums första fem minuter med en aldrig tidigare skådad noggrannhet.

Serien av fem artiklar publicerade i The Astrophysical Journal beskriver hur teamet kunde utnyttja 130 timmars observationstid på Large Binocular Telescope i Arizona för att minska osäkerheten kring detta fundamentala kosmiska värde till bara 0,5 %  tre gånger bättre än tidigare standarder. 

Studiens resultat ger nya ledtrådar om universums början och hjälper forskare att bättre förstå fysikens grunder. Experimentet  följer traditionen att testa standardmodellen inom fysiken, vilket historiskt många gånger har resulterat till teknologiska genombrott.

"Detta är ett fysikexperiment i stor skala gav en av de största upptäckterna i hela min 40-åriga karriär," beskriver Evan Skillman, University of Minnesota College of Science and Engineering Distinguished Professor vid School of Physics and Astronomy. "Det är ett grundläggande tal som berättar specifikt om universums tillstånd under dess första fem minuter. Den har diagnostisk kraft som talar direkt till Standardmodellen för fysik."

Big Bang-teorin visar hur universum expanderade från ett extremt högdensitets- och högtemperaturtillstånd för ungefär 13,8 miljarder år sedan. Teorin vilar på tre pelare: universums expansion, den kosmiska bakgrundsstrålning i form av mikrovågor och mängden lätta grundämnen som helium och deuterium. Den sista pelaren helium och deuterium  har inte studerats och mätts lika ingående som de två föregående pelarna.

För att nå denna precision gick teamet bort från traditionella extrapoleringsmetoder att uppskatta ett okänt värde genom att förlänga en trendlinje med kända data vilket kräver mätning av många galaxer och uppskattning av den initiala heliumnivån. Istället fokuserade de på 15 av de mest "orörda" små, avlägsna galaxer som någonsin upptäckts. Dessa galaxer är kemiskt outvecklade och fungerar som "tidskapslar", bevarade nästan exakt som de var strax efter Big Bang.

Med hjälp av avancerade spektrografer byggda vid Ohio State University analyserade forskarna mer än 10 heliumlinjer och 15 vätelinjer samtidigt. Detta gjorde att de kunde ta hänsyn till små systematiska effekter som tidigare ansågs försumbar men som blir avgörande när man siktar på noggrannhet under procent.

"MODS-spektrograferna tog 12 år att bygga från koncept till att analysera det första ljuset på himlen," beskriver Richard Pogge, professor i astronomi vid College of Arts and Sciences vid Ohio State University. "Det här är den typ av projekt vi designade dem för och att nu få leverera med dem är oerhört tillfredsställande. Det är inte varje dag man kan hjälpa till att bygga instrument som mäter något grundläggande om universum."

Den exakta mätningen bekräftar inte bara historien utan ger också en exakt bild av Standardmodellen för fysik. Genom att bestämma den exakta mängden helium kunde teamet beräkna antalet neutrinofamiljer de lättaste subatomära partiklarna som fanns i det tidiga universum.

"Vi lovade en halv procents osäkerhet i vårt förslag, och det kom vi igenom," tillade Skillman. "I vetenskapens oförutsägbara värld händer det inte särskilt ofta."

Förutom University of Minnesota Twin Cities och Ohio State University inkluderade teamet forskare från Gonzaga University, Northwestern University, University of Texas at Austin, Indiana University, University of California Santa Cruz, University of Illinois, Universidad Nacional Autónoma de México och TRIUMF.

Universums första tids mörka strålning. Vad var denna egentligen?

 

Bild https://mcss.wustl.edu  Illustration som visar neutriner som omvandlas till mörk strålning i det tidiga universum.

Neutriner är bland de mest förekommande partiklarna i universum. Neutriner beskrivs ofta som spöklika eftersom de interagerar så svagt med materia och spelar en viktig roll i hur kosmiska strukturer bildas och utvecklas.

Nya analyser av kosmologisk data tyder på att neutriner kan interagera med varandra starkare än vad som förutspåtts i standardmodellen för partikelfysik även om laboratorieexperiment sätter strikta gränser för sådana interaktioner.

Bhupal Dev  docent i fysik inom Arts & Sciences och fellow vid McDonnell Center for the Space Sciences vid Washington University i St. Louis har i en ny studie (se nedan) tillsammans med kolleger visat på en möjlig förklaring till denna uppenbara mismatch. Enligt dessa kunde de kosmologiska signaler som tolkades som bevis för starkt interagerande neutriner istället komma från en ytterligare komponent av strålning i det tidiga universum. Eftersom kosmologiska observationer främst mäter den totala mängden snabbrörlig strålning kan de inte enkelt skilja neutriner från andra lätta partiklar som beter sig likartat," beskriver Dev.

Dev föreslår att en del av neutrinerna omvandlades till en annan typ av ljus, snabbrörlig strålning känd som mörk strålning under universums tidigaste ögonblick.

Transformationen måste ha ägt rum efter Big Bang-nukleosyntesen (tiden innan större atomer än väte kom till med andra ord innan neutronen kom till och det bara fanns protoner) ) men före bildandet av den kosmiska mikrovågsbakgrunden.

"I detta scenario skulle mörk strålning kunna efterlikna de kosmologiska effekter som tillskrivs interagerande neutriner samtidigt som den undviker de experimentella begränsningar som gäller för neutrinerna själva," beskriver Dev.

Om denna mörka strålningsmekanism uppstod skulle den också kunna påverka flera pågående gåtor inom kosmologin. Dessa inkluderar osäkerheter i neutrinomassor och den långvariga Hubble-spänningen, som är skillnaden mellan olika mätningar av hur snabbt universum expanderar.

"Vårt arbete belyser ett bredare paradigm inom neutrinokosmologi," sade Dev. "Degenereringen mellan neutriner och neutrinoliknande mörk strålning öppnar nya vägar för att hantera kosmologiska spänningar samtidigt som man respekterar jordiska begränsningar."

Framtida observationer kan hjälpa till att testa idén. Nästa generations mätningar av den kosmiska mikrovågsbakgrunden, storskaliga strukturundersökningar och framväxande 21-centimeters kosmologiexperiment kan avslöja spår av denna dolda strålning.

Laboratorieexperiment som mäter neutriners absoluta massa eller söker efter möjliga sterila neutriner kan också ge viktiga ledtrådar.

Med andra ord, även om interaktioner mellan neutriner och mörk strålning kan vara spöklika, kommer de inte att bli dolda för alltid.

Dev  publicerade nyligen studiens  resultat   tillsammans med kolleger  i en artikel i Physical Review Letters. 

Mysteriet med de röda prickarna i universums barndom kan ha lösts

 

Bild https://news.ku.dk  De små röda prickarna är unga svarta hål insvepta i en kokong av gas som de konsumerar för att växa sig större. Denna process genererar enorm värme som visar sig som små röda prickar. Foto: JWST/Darach Watson

Sedan december 2021, då James Webb-teleskopet upptäckta det första ljuset har forskare runt om i världen undrat över dessa röda prickar bland stjärnor och galaxer i bilderna som teleskopet tagit.

De så kallade 'små röda prickarna' kan ses när universum "bara" var flera hundra miljoner år gammalt för att en miljard år senare verka ha försvunnet helt.

Vissa forskare hävdade att de var massiva galaxer, tillräckligt kraftfulla för att James Webb Space Telescope skulle kunna upptäcka dem 13 miljarder år senare. Men den teorin passade inte med hur lång tid  galaxer tog på sig att utvecklas efter Big Bang. Galaxerna bör uppkommit senare (eller att de röda prickarna över tid försvann).

Efter två års kontinuerlig analys av bilder med röda prickar har forskare från Niels Bohr-institutets Cosmic Dawn Centre i Köpenhamn funnit en förklaring. De är de första svarta hålen. De röda prickarna har därmed gett forskare insikt i hur universums första svarta hål kom till. (detta var vad jag också misstänkte att de var, de första svarta hålen eller hål som kom till redan vid BigBang)

"De små röda prickarna är unga svarta hål, hundra gånger mindre massiva än nuvarande insvepta i en kokong av gas som de konsumerar för att växa sig större. Denna process genererar enorm värme som lyser igenom kokongen. Denna strålning genom kokongen är det som ger de små röda prickar dess färg," beskriver professor Darach Watson, en av huvudforskarna bakom studien och beskriver.

"De är mycket mindre massiva än vad folk tidigare trott, så vi behöver inte åberopa helt nya typer av händelser för att förklara dem."

Upptäckten har placerat forskarna från Cosmic Dawn Centre på förstasidan av en av världens största vetenskapliga tidskrifter, Nature  

Studiens författare är V. Rusakov, Darach. Watson, G. P. Nikopoulos, Gabriel Brammer, R. Gottumukkala, T. Harvey, Kasper Elm Heintz, R. Damgaard, S. A. Sim, Albert Sneppen, A. P. Vijayan, N. Adams, D. Austin, C. J. Conselice, C.M. Goolsby, Sune Toft, J. Witstok.

Webbteleskopet upptäckte en tidig supernova

 

Bild https://science.nasa  NASAs James Webb Space Telescope har funnit källan till ett superstarkt gammastråleutbrott. En supernova som exploderade när universum var endast 730 miljoner år gammalt. I Webbs högupplösta i nära infraröda bilder upptäcktes också supernovans värdgalax. Bild: NASA, ESA, CSA, STScI, Andrew Levan (Radboud University); Bildbehandling: Alyssa Pagan (STScI)

Teleskopet gjorde observationerna den 1 juli 2025 efter att en internationell grupp av teleskop upptäckt ett superstark ljusblixt, ett gammastrålningsutbrott, i mitten av mars 2025.  Med denna observation slog Webb sitt eget rekord: Den tidigare toppliste-supernovan exploderade när universum var 1,8 miljarder år gammalt.

"Endast Webbteleskopet kunde direkt visa att ljuset kom från en supernova, en kollapsande massiv stjärna," beskriver Andrew Levan, huvudförfattare till en av två nya artiklar i Astronomy andAstrophysics Letters  och professor vid Radboud University i Nijmegen, Nederländerna, samt University of Warwick i Storbritannien. "Denna observation visar att vi kan använda Webb för att hitta enskilda stjärnor när universum bara var 5 % av sin nuvarande ålder."

Medan ett gammastrålutbrott vanligtvis varar i sekunder till minuter, ljusnar sedan supernovor snabbt under veckor innan den sedan långsamt mattas av. I kontrast till detta blev denna supernova ljusstarkare under flera månader. Eftersom den exploderade så tidigt i universums historia sträcktes dess ljus ut när kosmos expanderade över miljarder år. När ljus sträcks ut ökar också tiden det tar för händelser att utvecklas. Webbs observationer gjordes under tre och en halv månad efter att gammautbrottet avslutats eftersom den underliggande supernovan förväntades vara som ljusast vid den tidpunkten.

Webbs observationer visar att denna avlägsna galax liknar andra galaxer som existerade då," beskriver Emeric Le Floc'h, medförfattare och astronom vid CEA Paris-Saclay (Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives) i Frankrike.

Forskarna har planer på att åter anlita Webb i det internationella arbetet för att lära sig mer om gammastrålningsutbrott från objekt i det tidiga universum. Teamet har fått tillstånd att observera händelser med Webbteleskopet och har nu ett nytt mål. Målet att lära sig mer om galaxer i det avlägsna universum genom att fånga efterglöden från själva gammastrålningsutbrotten. "Det skenet kan hjälpa Webb att se mer och ge oss ett 'fingeravtryck' av galaxen," beskriver Levan.

Jordens tidigaste atmosfärs regn innehöll annorlunda ingredienser än nuvarande regn

 

Bild https://www.publicdomainpictures.net/

Jordens atmosfär kan ha bidragit till livets ursprung mer än man tidigare trott.

Något som beskrivs i en studie publicerad den 1 december i "Proceedings of the National Academy of Sciences" 

 Likt kol är svavel ett essentiellt grundämne som finns i alla livsformer, från encelliga bakterier till människor. Det är en del i vissa aminosyror och byggsten i protein.

Även om den unga jordens atmosfär innehöll svavelelement hade forskare länge trott att organiska svavelföreningar eller biomolekyler som aminosyror uppstod senare som en produkt av levande organismer eller växter.

I tidigare simuleringar av den tidiga jorden misslyckades forskare att upptäcka betydande mängder svavelbiomolekyler. Tiden  innan liv existerade skapades molekyler endast under specialiserade förhållanden.

När James Webb Space Telescope upptäckte dimetylsulfid, en organisk svavelförening som produceras av marina alger på jorden i en exoplanets atmosfär kallad K2-18b  trodde många att det var ett möjligt tecken på liv där.

Men i tidigare arbete har Nate Reed postdoktoral forskare vid NASA  och studiens seniorförfattare Ellie Browne kemiprofessor och CIRES-stipendiat, framgångsrikt framställt dimetylsulfid i sitt laboratorium med endast ljus och vanliga atmosfärers gaser. Detta antyder att denna molekyl kan uppstå på platser där inget liv finns.

Den här gången såg  Browne och Reed och deras team på vad den tidiga jordens atmosfär kunde ha bidragit med. De belyste en gasblandning innehållande metan, koldioxid, vätesulfid och kväve för att simulera jordens atmosfär innan livet uppstod.

Svavel är ett svårt grundämne att arbeta med i laboratoriet, enligt Browne. Det tenderar att fastna på all utrustning, och i atmosfären finns svavelmolekyler ofta i mycket låga koncentrationer jämfört med CO2 och kväve. "Du måste ha utrustning som kan mäta otroligt små mängder av dessa," tillade hon. Med hjälp av ett mycket känsligt masspektrometriinstrument som kan identifiera och mäta olika kemiska föreningar fann  Brownes team att den tidiga jordsimuleringen producerade en hel uppsättning svavelbiomolekyler, inklusive aminosyrorna cystein och taurin, samt koenzym M, en förening som är kritisk för ämnesomsättningen påtalar forskare och samarbetspartners vid CU Boulder (Colorado University) vilket visar att Jordens tidiga atmosfär för miljarder år sedan kan ha producerat svavelhaltiga molekyler som är viktiga för att liv ska uppkomma.

Fyndet utmanar teorin om att dessa svavelmolekyler först uppstod efter att liv redan hade bildats.

"Vår studie kan hjälpa oss att förstå livets evolution i dess tidigaste skeden," beskriver huvudfattaren Nate Reed, postdoktoral forskare vid NASA, som utförde arbetet som postdoktoral forskare vid kemiska institutionen och Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences (CIRES) vid CU Boulder.

Extremt massiva stjärnor fanns under universums första tid

 

Bild https://pxhere.com/sv/photo/56824  på Vintergatan.

Ett internationellt forskarlag under ledning  av ICREA-forskare Mark Gieles vid Institute of Cosmos Sciences  och universitetet i Barcelona (ICCUB) och Institute of Space Studies of Catalonia (IEEC) har utvecklats en banbrytande modell som avslöjat extremt massiva stjärnor (EMS). Stjärnor med en massa 1000 gånger större än vår sols i de äldsta stjärnhoparna i universum.

Klotformiga stjärnhopar är täta, sfäriska grupper på hundratusentals till miljontals stjärnor  finns i nästan alla galaxer, inklusive Vintergatan. De flesta av dem är mer än 10 miljarder år gamla och även de i Vintergatan vilket innebär att de bildades några miljarder år efter Big Bang.

Stjärnorna uppvisar förbryllande kemiska signaturer bland annat ovanliga mängder av helium, kväve, syre, natrium, magnesium och aluminium. Det visar komplexa anrikningsprocesser av klusterbildning från extremt heta "föroreningar".

Den nya studien bygger på tröghetsinflödesmodellen för massiv stjärnbildning och utvidgar den till de extrema miljöerna i det tidiga universum. Resultatet visar att turbulent gas i de största och tyngsta stjärnhoparna naturligt gett upphov till extremt massiva stjärnor (EMS) som väger mellan 1 000 och 10 000 solmassor. Dessa ansamlingar av system frigör kraftfulla stjärnvindar rika på produkter av väte som förbränns vid höga temperaturer som sedan blandas med den omgivande orörda gasen och bildar de kemiskt distinkta stjärnorna.

– Vår modell visar att bara några få extremt massiva stjärnor kan lämna ett bestående kemiskt fingeravtryck på en hel hop, beskriver Mark Gieles. "Det kopplar äntligen bildningsfysiken hos klotformiga stjärnhopar till de kemiska signaturer vi observerar idag."

Laura Ramirez Galeano och Corinne Charbonnel från universitetet i Genève tillägger: "Det var redan känt att kärnreaktioner i centrum av extremt massiva stjärnor kunde skapa de rätta överflödsmönstren. Vi har nu en modell som ger en naturlig väg för att bilda dessa stjärnor i massiva stjärnhopar.

Denna process utvecklades snabbt  under en tid av 1 till 2 miljoner år  tiden innan några supernovor exploderade vilket säkerställer att hopens gas förblir fri från supernovaföroreningar.

Studien, som publiceras i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society , visar hur dessa kortlivade stjärnjättar har haft ett stort inflytande på kemin i klotformiga stjärnhopar i några av de äldsta och mest gåtfulla stjärnsystemen i kosmos.

Det var stökigt för de första galaxerna

 

Bild https://www.cam.ac.uk/ JWST:s Grism-läge fångar upp svagt ljus från joniserad vätgas i avlägsna (i tid och rum) galaxer Källa: NASA, ESA, CSA, STScI, B. Robertson (UC Santa Cruz), B. Johnson (CfA), S. Tacchella (Cambridge), P. Cargile (CfA)

Ett Forskarlag under ledning av forskare vid University of Cambridge har analyserat mer än 250 unga galaxers ljus och rörelser. Galaxer som existerade när universum var mellan 800 miljoner och 1,5 miljarder år gammalt. Studien visar hur gasen rör sig inuti dessa galaxer forskarna upptäckte då att de flesta var turbulenta, "klumpiga" system som ännu inte hade blivit ordnade roterande skivor som Vintergatan är.

– Vi såg inte bara några spektakulära extremvärden då vi här för första gången en hel population av galaxer på en gång, beskriver studiens huvudförfattare Lola Danhaive från Mavliinstitutet för kosmologi i Cambridge. – Vi fann en enorm variation: vissa galaxer sågs börja etablera sig i en ordnad rotation medan flertalet fortfarande var i kaotisk rörelse av gas som blåstes upp och rörde sig i alla riktningar.

För arbetet använde de James Webbteleskopets instrument NIRCam i ett sällan använt läge för att fånga upp svagt ljus från joniserad vätgas i  galaxerna. Danhaive skrev ny kod för att reda ut data som kom in och matchade den med bilder från andra JWST-kartläggningar med syftet att mäta hur gas rörde sig i  galaxerna.

– Tidigare insamlad data tyder på att massiva, välordnade skivor bildades mycket tidigt i universum vilket visade sig inte passa in i våra modeller, beskriver medförfattaren till studien Dr Sandro Tacchella från Kavliinstitutet och Cavendish Laboratory. – Men genom att se på hundratals galaxer med mindre stjärnmassor i stället för bara en eller två ser vi att vår teori  stämmer mycket bättre än tidigare teorier. Tidiga galaxer var enligt vårt resultat mer turbulenta, mindre stabila och ökade i omfång genom frekventa sammanslagningar och utbrott av ny stjärnbildning.

– Det här arbetet hjälper till att överbrygga klyftan mellan återjoniseringens epok och den så kallade ”cosmic noon”, tiden då stjärnbildning nådde sin kulmen, beskriver Danhaive vilken även är knuten till Cavendish Laboratory. Studien visar hur galaxernas byggstenar gradvis övergick från kaotiska gasklumpar till ordnade strukturer och hur galaxer som Vintergatan bildades.

Studiens resultat har publicerats i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 

 I studien beskrivs hur forskningen tyder på att galaxerna gradvis över tid blev lugnare och mer ordnade i takt med att universum utvecklades över tid. Men i det tidiga universum rörde stjärnbildning och gravitations instabilitet upp mycket turbulens men det avslutades med att många galaxer i kaotiska rörelsemönster  till slut  etablerade sig.

Rester av den första Jorden hittade.

 

Bild wikipedia Konstnärs skildring av en kollision mellan två planetkroppar, liknande den hypotetiska kollisionen mellan Theia och protojorden.  

Forskare vid MIT (Massachusetts Institute of Technology) med flera universitet (se nedan) har upptäckt extremt sällsynta rester av "protojorden", som bildades för cirka 4,5 miljarder år sedan innan en kolossal kollision oåterkalleligt förändrade den primitiva planetens sammansättning och skapade jorden som vi känner den idag. Studiens resultat, har publicerats nyligen i tidskriften Nature Geosciences.

 Studien kan hjälpa forskare att pussla ihop de ursprungliga ingredienserna som skapade den tidiga jorden och resten av solsystemet.

För miljarder år sedan var det tidiga solsystemet en virvlande skiva av gas och stoft som så småningom klumpade ihop sig och ackumulerades för att bilda de tidigaste meteoriterna, som i sin tur sammanslogs och bildade protojorden och övriga planeter.

I denna tidigaste fas var jorden troligen stenig och bubblade av lava. Mindre än 100 miljoner år senare slog en meteorit stor som Mars ner i protojorden i ett unikt "jättenedslag" som fullständigt förvrängde och smälte planetens inre, vilket effektivt återställde dess kemi. Det ursprungliga material som protojorden bestod av antogs ha blivit helt och hållet förvandlat. Genom kollisionen bildades enligt en teori (Theiateorin) den nuvarande jorden och månen. 

MIT-teamets resultat tyder på något annat. Forskarna har identifierat en kemisk signatur i en uråldrig bergart som är unik jämfört med merparten av andra material som finns på jorden idag. Signaturen är i form av en subtil obalans i kaliumisotoper som upptäckts i prover av mycket gamla och mycket djupt liggande bergarter. Teamet kom fram till att kaliumobalansen inte kunde ha orsakats av några tidigare stora nedslag eller geologiska processer som sker i jorden för närvarande.

Den mest troliga förklaringen till provernas kemiska sammansättning är att de måste vara överblivet material från protojorden som på något sätt förblev oförändrat, även när det mesta av den tidiga planeten påverkades och omvandlades.

"Det här är kanske det första direkta beviset på att vi har bevarat proto-jordmaterial", beskriver Nicole Nie, Paul M. Cook Career Development Assistant Professor of Earth and Planetary Sciences vid MIT. – Vi ser en bit av den mycket gamla jorden till och med innan det gigantiska nedslaget. Detta är häpnadsväckande eftersom vi förväntar oss att denna mycket tidiga signatur långsamt kom att raderas genom jordens utveckling.

Studiens övriga medförfattare inkluderar Da Wang från Chengdu University of Technology i Kina, Steven Shirey och Richard Carlson från Carnegie Institution for Science i Washington, Bradley Peters från ETH Zürich i Schweiz och James Day från Scripps Institution of Oceanography i Kalifornien.

Ett svart hål som fanns för 13,3 miljarder år sedan och troligen finns än i dag

 

Bild https://news.utexas.edu/ Illustration av CAPERS-LRD-z9, platsen för det tidigast funna bekräftade svarta hålet. Det supermassiva svarta hålet i dess centrum tros vara omgivet av ett kraftigt gasmoln vilket ger galaxen en distinkt röd färg. Image credit: Erik Zumalt, The University of Texas at Austin.

Ett internationellt team av astronomer under ledning från University of Texas vid Austins Cosmic Frontier Center har identifierat det mest avlägsna svarta hål som bekräftats. Det och galaxen där det finns kallas CAPERS-LRD-z9 och fanns redan 500 miljoner år efter Big Bang. Det placerar det 13,3 miljarder år in i det förflutna då universum bara var 3 % av sin nuvarande ålder.

– När man letar efter svarta hål är det ungefär så långt tillbaka som man kan komma. Vi tänjer på gränserna för vad dagens teknik kan upptäcka beskriver Anthony Taylor, postdoktoral forskare vid Cosmic Frontier Center och ledare för teamet som gjorde upptäckten. Deras forskningsresultat publicerades den 6 augusti i Astrophysical Journal Letters. 

"Även om astronomer har hittat några få, mer avlägsna men ej bekräftade kandidater", tillägger Steven Finkelstein, medförfattare till artikeln och chef för Cosmic Frontier Center, "har man ännu inte hittat den distinkta spektroskopiska signaturen som förknippas med ett svart hål." CAPERS-LRD-z9, som till en början sågs som en intressant fläck i Jamers Webb teleskopets bilder, visade sig vara en del av en ny klass av galaxer som kallas "Little Red Dots". Dessa galaxer, som bara finns under universums första 1,5 miljarder år är mycket kompakta, röda och oväntat ljusstarka.

"Upptäckten av Little Red Dots var en stor överraskning från tidiga JWST-data eftersom de inte alls liknade galaxer som setts med rymdteleskopet Hubble", förklarar Finkelstein. "Nu håller vi på att ta reda på hur dessa är och hur de kom till."

CAPERS-LRD-z9 kan hjälpa astronomer att göra just det. För det första bidrar den här galaxen till allt fler bevis för att supermassiva svarta hål är källan till den oväntade ljusstyrkan i Little Red Dots. Vanligtvis skulle den ljusstyrkan indikera ett överflöd av stjärnor i en galax. Men de små röda prickarna existerar vid en tidpunkt då det är osannolikt att det finns en  stor massa av stjärnor (galaxer).

Å andra sidan lyser svarta hål också starkt. Det beror på att de komprimerar och värmer upp materia de förbrukar, vilket skapar enormt ljus och energi. Genom att bekräfta existensen av ett svart hål i CAPERS-LRD-z9 har astronomer hittat ett slående exempel på detta samband i Little Red Dots. För att fortsätta sin forskning om CAPERS-LRD-z9 hoppas teamet kunna samla in fler observationer med högre upplösning med hjälp av JWST. Detta skulle kunna ge större insikt om platsen och den roll som svarta hål spelade i utvecklingen av Little Red Dots. "Det här är ett bra testobjekt för oss", beskriver Taylor. – Vi har inte kunnat studera tidiga svarta håls evolution förrän nyligen och vi är spända på att se vad vi kan lära oss av detta unika objekt beskriver han.

För min del anser jag att Little Red Dots inte är galaxer med stjärnor utan är de första svarta hålen som slukar gas och stoft och som längre fram blir centrum för nya stjärnor och galaxer genom att gas och stoff som inte dras in i det svarta hålet på grund av avstånd samlas i skiva vari nya stjärnor bildas.

Vera C. Rubin-observatoriets första bilder av universum släppta

 

Bild https://rubinobservatory.org

NSF-DOE Vera C. Rubin Observatory,är en stor ny vetenskaplig anläggning som finansierats gemensamt av U.S. National Science Foundation och U.S. Department of Energy's Office of Science. Härifrån har nu släppts de första bilderna av universum med detta observatorium vid ett evenemang i Washington, D.C.

Bilderna visar skilda kosmiska fenomen (se denna länk)  tagna i en aldrig tidigare skådad skala. Under drygt 10 timmars testobservationer har NSF-DOE Rubin-observatoriet tagit bilder av miljontals galaxer, Vintergatans stjärnor och tusentals asteroider. Bilderna är en liten förhandsvisning av Rubinobservatoriets kommande 10-åriga vetenskapliga uppdrag att utforska och försöka förstå några av universums största mysterier.

Så kan det första livet lyckats klara sig på Jorden

 

Bild https://www.psi.edu  En konstnärs tolkning av en kaotisk tidig tid på jorden när livet först fick fäste. I den här bilden av en vulkanisk ventil strålar varmt vatten upp  till ytan. Det gula vattnet runt den varma källan är fullt av alger. Upphovsman: William Hartmann.

Forskare är inte säkra på hur livet först uppstod och dess vidare öde över tid. Ny forskning publicerad i Proceedings of the Royal Society B tyder på att kemiska föregångare till liv klarade svåra förhållanden via reversibla förändringar i aktivitet och skydd, ett fenomen som kan ses som dvala.

Kevin Webster, associerad forskare vid Planetary Science Institute (Planetary Science Institute  501(c)(3) Tucson, Arizona är ett privat, icke-vinstdrivande företag som ägnar sig åt utforskning av solsystemet. En annan medverkande i forskningen var Jay Lennon från Indiana University.

"Jag är intresserad av frågor som rör livets uppkomst", beskriver Webster. "Min samarbetspartner, Jay Lennon, är intresserad av fenomenet dvala. Vi pratade en dag och han frågade om jag trodde att dvala var äldre än livet. Jag sa att jag är nästan säker på att det är det. Det var det som ledde fram till artikeln”.

Organismer använder dvala för att minska risken för död genom att skydda sig mot ogynnsamma förhållanden och vaknar sedan när gynnsamma förhållanden återkommer.

"Om du är aktiv, men det inte finns någon mat på grund av att floden torkar ut till exempel, kommer du att dö", beskriver Webster. "Men om du kan uthärda de riktigt torra förhållandena medan du är i vila kan du återgå till aktivitet så snart det finns vatten igen och leva för att föra vidare din genetiska information."

Webster och Lennon grävde i de fossila lagren och för att finna att dvala har använts av en mängd olika organismer  under  jordens historia, inklusive idag (ex är björnar i idé då deras föda minskar på vintern).

Genom att minska dödligheten under suboptimala förhållanden skulle dvala minska sannolikheten för lokala och globala utdöenden. Dessutom skapar dvala en 'fröbank' av inaktiva individer", beskriver författarna vilket innebär att livet inte behövde starta om upprepade gånger under jordens turbulenta första tid.

Vissa molekyler kan genom olika processer växla mellan ett tillstånd av dvala (under vilket det är skyddat, men inte kan förökas) och aktivitet (under vilket det är mer sårbart för miljön, men kan förökas). Växling mellan dessa tillstånd kan ske i samband med förändringar i miljön, såsom temperatur eller tillgången på andra molekyler.

Att förstå hur liv uppkom och spreds och fortlevde på jorden är ett mål med forskningen.

De första kvasarerna trotsar fysikens lagar

 

En kvasar är en extremt ljusstark och avlägsen aktiv galaxkärna. Bilden ovan från wikipedia visar Kvasaren 3C 273 som finns i stjärnbilden jungfrun på ett foto taget av rymdteleskopet Hubble.

Nya bevis har upptäckts om att supermassiva svarta hål bildades redan under den första miljarden år efter BigBang. Studien, har gjorts av forskare vid INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica i Rom Italien) vilka analyserat 21 avlägsna kvasarer och visat att dessa objekt befinner sig i en fas av extremt snabb tillväxt. Detta ger värdefulla insikter om hur de bildats och utvecklats tillsammans med galaxen vari de finns.

De har observerats i röntgenbandet av rymdteleskopen XMM-Newton och Chandra. Resultaten tyder på att de supermassiva svarta hålen i mitten av dessa stora kvasarer, de första som bildades under den kosmiska gryningen, kan ha nått sina extraordinära massor genom mycket snabb och intensiv ackretion, vilket ger en rimlig förklaring till deras existens i universums tidiga skede.

Kvasarer är aktiva galaxer som drivs av de centrala supermassiva svarta hålen (så kallade aktiva galaxkärnor) och som avger en enorm mängd energi när de drar till sig materia. De är extremt ljusstarka och avlägsna från oss. Kvasarerna som undersökts i den här studien är bland de mest avlägsna objekt som någonsin observerats och dateras till en tid då universum var mindre än en miljard år gammalt.

I arbetet visade analysen av röntgenstrålning från dessa objekt ett helt oväntat beteende hos de supermassiva svarta hålen. Ett samband fanns mellan formen på röntgenstrålningen och hastigheten på de materievindar som kastas ut av kvasarerna. Detta förhållande kopplar vindhastigheten som kan nå tusentals kilometer per sekund till temperaturen på gasen i koronan. Det område som avger röntgenstrålning närmast det svarta hålet. Koronan visade sig vara kopplad till de kraftfulla ackretionsmekanismerna i det svarta hålet självt. Kvasarer med lågenergi av röntgenstrålning och därmed lägre temperatur i koronan uppvisar starkare vindar. Detta indikerar en mycket snabb tillväxtfas som överskrider en fysisk gräns för ansamling av materia som kallas Eddington-gränsen, vilket är anledningen till att denna fas kallas "super-Eddington". Omvänt tenderar kvasarer med högre energiutsläpp av röntgenstrålning att uppvisa svagare vindar.  https://sv.wikipedia.org/wiki/Eddington-luminositet

– Vårt arbete tyder på att de supermassiva svarta hålen i mitten av de första kvasarerna som bildades under den första miljarden år av universums existens faktiskt kan ha ökat sin massa mycket snabbt vilket utmanar fysikens gränser, beskriver Alessia Tortosa, huvudförfattare till studien och forskare vid INAF i Rom. Upptäckten av detta samband mellan röntgenstrålning och vindar är avgörande för att förstå hur så stora svarta hål kunde ha bildats på så kort tid, vilket ger en konkret ledtråd för att lösa ett av de största mysterierna inom modern astrofysik.

Resultatet uppnåddes främst genom att analysera data som samlats in med rymdteleskopet XMM-Newton vid Europeiska rymdorganisationen ESA, vilket möjliggjorde cirka 700 timmars observationer av kvasarerna. Det mesta av datan som samlats in mellan 2021 och 2023 som en del av det fleråriga XMM-Newton Heritage Programme, under ledning av Luca Zappacosta, forskare vid INAF i Rom, är en del av HYPERION-projektet som syftar till att studera hyperluminösa kvasarer under universums kosmiska gryning. Den omfattande observationskampanjen leddes av ett team av italienska forskare och fick stöd från INAF som finansierade programmet och därmed stödde spjutspetsforskning om den evolutionära dynamiken i universums tidiga strukturer.

– I HYPERION-programmet fokuserade vi på två nyckelfaktorer: å ena sidan det noggranna urvalet av kvasarer att observera och att välja ut titanerna, det vill säga de som hade samlat på sig så mycket massa som möjligt och å andra sidan den djupgående studien av deras egenskaper i röntgenstrålning, något som aldrig tidigare gjorts på ett så stort antal objekt från den första tiden av universum, beskriver Luca Zappacosta, forskare vid INAF i Rom. Resultaten vi får är genuint oväntade, och de pekar alla på en super-Eddington-tillväxtmekanism hos de svarta hålen.

Studien ger viktiga insikter för framtida röntgenuppdrag, som ATHENA (ESA), AXIS och Lynx (NASA), som är planerade att skjutas upp mellan 2030 och 2040. Faktum är att de erhållna resultaten kommer att vara användbara för att förfina nästa generations observationsinstrument och för att definiera bättre strategier för att undersöka svarta hål och aktiva galaxkärnor i röntgenstrålning vid mer avlägsna kosmiska epoker. Dessa är nyckelelement för att förstå bildandet av de första galaktiska strukturerna i universums första tid.

Studien publicerades den 20 november 2024 i tidskriften Astronomy & Astrophysics.

Kan den snabba tillväxten berott på att det under de första tiotals miljonerna åren fanns stora mängder av gas som gjorde att kvasarbildning mm tog en otroligt accederande  fart.

En avlägsen galax med roterande skiva

 

Bild https://www.eso.org  Astronomer har upptäckt den mest avlägsna Vintergatsliknande galaxen som hittills skådats. Galaxen har beteckningen REBELS-25 och ser lika välordnad ut som dagens galaxer, trots att vi ser den vid en tidpunkt då universum bara var 700 miljoner år gammalt. Den välordnade strukturen är förvånande då unga galaxer enligt vår nuvarande förståelse borde vara mer kaotiska. Rotationen och strukturen hos REBELS-25 avslöjades med Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), där European Southern Observatory (ESO) är partner.

De galaxer vi ser idag har utvecklats drastiskt jämfört med de kaotiska, oformliga motsvarigheter som astronomer vanligtvis observerar i det tidiga universum. "Enligt vår förförståelse av galaxbildningen förväntar vi oss att de flesta tidiga galaxer är små med oordnade stjärnor och form", beskriver Jacqueline Hodge, astronom vid Leiden University, Nederländerna, och medförfattare till studien.

Dessa oformliga, tidiga galaxer smälter så småningom samman med varandra och utvecklas till en mer ordnad form i en mycket långsam takt. Dagens teorier tyder på att en galax som är lika välordnad som vår egen Vintergata - en roterande skiva med välordnade strukturer i form av spiralarmar som utvecklats under flera miljarder års tid. Detektionen av REBELS-25 är därför en utmaning i tidsskalan vi förutsätter är riktig.

I studien, som har accepterats för publicering i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, beskriver astronomerna att REBELS-25 är den mest avlägsna och är den kraftigt roterande skivgalax som hittills har upptäckts. Det ljus som når oss galaxen sändes ut när universum bara var 700 miljoner år gammalt – endast fem procent av universums nuvarande ålder (13,8 miljarder år) – därför är REBELS-25:s ordnade rotation ett helt oväntat fynd.

"Att upptäcka en galax med sådana likheter med vår egen Vintergata, som är starkt rotationsdominerad, utmanar vår förståelse av hur snabbt galaxerna i det tidiga universum utvecklades till de ordnade galaxer vi ser i dagens kosmos", beskriver Lucie Rowland, doktorand vid Leidenuniversitet och huvudförfattare till studien. Forskningsresultaten presenteras i artikeln “REBELS-25: Discovery of a dynamically cold disc galaxy at z=7.31” som publicerats i tidskriften Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Det bör ge tankar åt att vi missat något väsentligt i universums tillblivelse när vi upptäckter anomalier som denna galax utveckling i förhörhållande till vår nuvarande förförståelse av tid och utveckling.

Små ljusa objekt under universums första tid förbryllar.

 

Ett internationellt forskarlag under ledning av forskare från Penn State (Pennsylvania university) har med hjälp av instrumentet NIRSpec som finns ombord på JWST (James Webb teleskopet) identifierat tre mystiska objekt i universums första tid (cirka 600-800 miljoner år efter Big Bang).  Då universum bara var 5 procent av sin nuvarande ålder.

Teamet studerade ur spektralmätningar intensiteten i olika våglängder av ljus från objekten. Analysen visade att det fanns signaturer som visar  "gamla" stjärnor, hundratals miljoner år gamla, mycket äldre än vad man kan förvänta sig i ett ungt universum.

Forskarna blev också förvånade då de upptäckte signaturer av enorma supermassiva svarta hål i samma stjärnsamling (galaxtillväxt) och uppskattar att dessa är 100 till 1 000 gånger mer massiva än det supermassiva svarta hålet i Vintergatan.

– Vi har bekräftat att dessa stjärnsamlingar verkar vara packade med uråldriga stjärnor – hundratals miljoner år gamla – i ett universum som bara är 600-800 miljoner år gammalt. Anmärkningsvärt nog har dessa objekt även rekordet för de tidigaste signaturerna av gammalt stjärnljus, beskriver Bingjie Wang, postdoktor vid Penn State University och huvudförfattare till artikeln (se nedan). – Det var helt oväntat att hitta gamla stjärnor i ett så ungt stadium av universum. Standardmodellerna för kosmologi och galaxbildning har varit framgångsrika, men dessa ljusstarka objekt passar inte  in i nuvarande teorier.

Forskarna upptäckte först de massiva objekten i juli 2022. Vid den tidpunkten misstänkte forskarna att objekten var galaxer, men följde upp sin analys genom att samla in spektra för att bättre förstå objektens verkliga avstånd samt källorna som driver deras enorma ljus.

Forskarna använde sedan insamlad data för att få en tydligare bild av hur galaxbildningen såg ut och vad som fanns i den. Teamet bekräftade inte bara att objekten var galaxer i tidernas begynnelse utan de hittade också bevis för förvånansvärt stora supermassiva svarta hål och en förvånansvärt gammal population av stjärnor.

JWST är utrustad med instrument för infraröd avkänning som kan detektera ljus som sänds ut från de äldsta stjärnorna och galaxerna. I huvudsak gör teleskopet det möjligt för forskare att se tillbaka i tiden ungefär 13,5 miljarder år vilket är tiden nära universums begynnelse som vi känner det, beskriver Leja.

En utmaning med att analysera forntida ljus är att det kan vara svårt att skilja de typer av objekt som kan ha avgett ljuset. När det gäller dessa tidiga objekt har de tydliga egenskaper hos både supermassiva svarta hål och gamla stjärnor. Wang förklarar att det ännu inte är klart hur mycket av det observerade ljuset som kommer från vart och ett av detta – vilket innebär att det kan röra sig om tidiga galaxer som är oväntat gamla och till och med mer massiva än vår egen Vintergata som bildats mycket tidigare än vad modellerna förutspår eller så kan de vara galaxer med mer normal massa men med "övermassiva" svarta hål, ungefär 100 till 1 000 gånger mer massiva än vad en likartad i storlek galax skulle ha idag.

"Att skilja mellan ljus från material som faller in i ett svart hål och ljus som sänds ut från stjärnor i dessa små, avlägsna objekt är utmanande", beskriver Wang. –Bortsett från deras oförklarligt stora massa och unga ålder är frågan om  ljuset kommer från supermassiva svarta hål så är dessa inte supermassiva svarta hål som vi känner sådana. De nu funna innehåller mycket mer ultravioletta fotoner än väntat och  saknar de karakteristiska signaturerna hos supermassiva svarta hål, såsom hett stoft och ljus röntgenstrålning. Men det kanske mest överraskande, enligt forskarna, är hur massiva de verkar vara.

Här ser vi ett fullt utvecklat stort svart hål i en mycket liten nybildande galax. Det är inte riktigt logiskt för galaxer  och svarta hål borde växa i storlek tillsammans enligt nuvarande teori.

Forskarna var också förbryllade över de otroligt små storlekarna på dessa system, bara några hundra ljusår tvärsöver ungefär 1 000 gånger mindre än Vintergatan. Stjärnorna är ungefär lika många som i vår egen galax Vintergatan med någonstans mellan 10 miljarder och 1 biljon stjärnor – men ryms i en volym som är 1 000 gånger mindre än Vintergatan.

Leja förklarade att om man tog Vintergatan och komprimerade den till storleken av de galaxer som hittats där ute skulle den närmaste stjärnan nästan finnas i vårt eget solsystem. Det supermassiva svarta hålet i Vintergatans centrum, cirka 26 000 ljusår bort, skulle bara ligga cirka 26 ljusår från jorden och synas på himlen som en gigantisk ljuspelare.

"Dessa tidiga galaxer är täta med stjärnor – stjärnor som måste ha bildats på ett sätt som vi  inte har kunskap om och under förhållanden som vi aldrig skulle förvänta oss under en period av tid och rum vi aldrig skulle förväntat oss att se dem", beskriver Leja. De är unika för det tidiga universum."

Forskarna hoppas kunna följa upp med fler observationer som  kan hjälpa till att förklara några av objektens mysterier. De planerar att ta djupare spektra genom att rikta teleskopet mot objekten under längre tidsperioder vilket kommer att hjälpa till att undersöka och kanske förstå  stjärnorna och det potentiella supermassiva svarta hålen genom att identifiera de specifika absorptionssignaturer som finns i var och ett av dem.

Jag misstänker att vi inte förstår expansionen från nära noll och som sedan skedde i universums början och  att svaret på gåtan finns i detta.

Wang och Leja fick finansiering från NASA:s General Observers-program. Forskningen stöddes också av International Space Science Institute i Bern. Arbetet är delvis baserat på observationer gjorda med NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope. Beräkningarna för forskningen utfördes på Penn State's Institute for Computational and Data Sciences superdator Roar.

Andra medförfattare till artikeln är Anna de Graaff vid Max-Planck-Institut für Astronomie i Tyskland; Gabriel Brammer från Cosmic Dawn Center och Niels Bohr Institute; Andrea Weibel och Pascal Oesch från universitetet i Genève; Nikko Cleri, Michaela Hirschmann, Pieter van Dokkum och Rohan Naidu från Yale University; Ivo Labbé från Stanford University; Jorryt Matthee och Jenny Greene från Princeton University; Ian McConachie och Rachel Bezanson från University of Pittsburgh; Josephine Baggen från Texas A&M University; Katherine Suess från Observatoire de Sauverny i Schweiz; David Setton of Massachusetts Institute of Technology’s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research; Erica Nelson från University of Colorado; Christina Williams från U.S. National Science Foundation's National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory och University of Arizona.

Studien om upptäckten publicerades den 27 juni 2024 i Astrophysical Journal Letters.

Bild https://www.flickr.com/ Grekland (Arkiv: NASA, Internationella rymdstationen, 07/22/11)

De första stjärnorna bildade grundämnen med högre atomnummer än uran-238

 

De första stjärnorna i universum var mycket stora. De bestod nästan endast av väte och helium och var upp till 300 gånger  massivare än vår sol. I dem bildades de första av de tyngre grundämnena, som sedan kastades ut i kosmos vid slutet av deras korta existens som slutade i en supernova. Dessa grundämnen var början till alla de stjärnor och planeter som nu finns. I en ny studie visas att dessa första stjärnor skapade mer än bara de naturliga grundämnen upp till uran-238.

Med undantag för väte, helium och några spår av andra lätta grundämnen har alla atomer vi ser omkring oss skapats genom astrofysikaliska processer, såsom  supernovor, kollisioner mellan neutronstjärnor och högenergirika partikelkollisioner. Tillsammans skapades  tyngre grundämnen som uran-238, som är det tyngsta naturligt förekommande grundämnet.

Uran bildas vid kollisioner mellan supernovor och neutronstjärnor genom den så kallade r-processen, där neutroner snabbt fångas upp av atomkärnor och då blir till ett tyngre grundämne. R-processen är komplex, och det finns fortfarande mycket som inte förstås i  hur den processen uppstår eller vad dess övre massgräns är.

Studien ger resultat som tyder på  att r-processen i de allra första stjärnorna kan ha producerat mycket tyngre grundämnen med atommassa större än 260 (se periodiska systemet).  

Teamet såg på 42 stjärnor i Vintergatan för vilka grundämnessammansättningen är förstådd. I stället för att bara leta efter närvaron av tyngre grundämnen tittade de på det relativa överflödet av grundämnen i alla stjärnor. De fann att överflödet av vissa grundämnen som silver och rodium inte stämmer överens med det förutspådda överflödet från vad som sker i en r-processnukleosyntes.

Ny data tyder istället på att dessa grundämnen är sönderfallsrester från mycket tyngre kärnor  högre än 260 i atommassanummer. Förutom r-processen med snabb neutroninfångning finns det två andra sätt att skapa tunga atomkärnor: p-processen där neutronrika kärnor fångar protoner, och s-processen där en kärna av en atom kan fånga in en neutron. Men ingen av dessa kan skapa en snabb uppbyggnad av massa som är nödvändig för grundämnen med högre nummer än uran. Det är bara i den hypermassiva första generationens stjärnor som r-processens nukleosyntes som på något vis kan ha genererat sådana grundämnen.

Studien tyder alltså på att r-processen kan skapa grundämnen med högre atomnummer än uran, och sannolikt skedde det i de första stjärnorna i universum. Om det inte finns en isolerad plats av stabilitet för några av dessa ultratunga grundämnen kommer dessa då bildade grundämnen för länge sedan att ha sönderfallit till de naturliga grundämnen vi ser idag. Men det faktum att de en gång existerade kommer att hjälpa forskare att bättre förstå r-processen och dess begränsningar.

Inlägget ovan grundas på en artikel ihttps://www.universetoday.com/ där det hänvisas till en källan Roederer, Ian U., et al. “Element abundance patterns in stars indicate fission of nuclei heavier than uranium.” Science 382.6675 (2023): 1177-1180.

Tunga grundämnen i högre skiktet av periodiska system bildas och finns oftast endast kortvarigt i kärnkraftverk eller laboratoriemiljö.

Bild vikipedia En atomkärna visas här som ett kompakt knippe av de två typerna av nukleoner, protoner (röda) och neutroner (blå). I bilden visas protonerna och neutronerna som distinkta, vilket är den gängse uppfattningen inom till exempel kemi. Men i en verklig kärna, som förstås av modern kärnfysik är nukleonerna delvis delokaliserade och organiserar sig enligt kvantkromodynamikens lagar.

Resterna från de första stjärnorna ses än i dag i avlägsna gasmoln

 

För första gången någonsin har det nu gått att  identifiera de kemiska resterna från explosionerna (supernovorna) efter de första stjärnorna, i avlägsna gasmoln, beskriver Andrea Saccardi, doktorand vid Observatoire de Paris – PSL, och ledare för studien som färdigställdes under hennes forskarutbildning vid Florens universitet.

Forskarna tror att de första stjärnorna som bildades i universum skiljde sig avsevärt åt från de stjärnor vi ser i dag. (de första innehöll nästan ingen metall utan bestod mest av väte och helium jämfört med dagens metallrika stjärnor. Metallrika stjärnor bildades då resterna av de första väte-heliumstjärnorna exploderat som supernovor. Vid explosionerna av detta slag bildades nya tyngre grundämnen.).

När de första stjärnorna bildades för ca 13,5 miljarder år sedan innehöll de nästan bara väte och helium, de lättaste grundämnena i naturen. Dessa stjärnor, som troligen var tiotals eller hundratals gånger mer massiva än solen exploderade efter kort tid som supernovor och berikade då den omkringliggande gasen efter novan med tyngre grundämnen. Senare generationer av stjärnor bildades ur denna gas och spred i sin tur än fler och tyngre grundämnen omkring sig när de exploderade.

De första stjärnorna är borta sedan länge men  dess spår finns kvar och kan studeras indirekt genom att undersöka de grundämnen som de spred i sin omgivning efter supernovaexplosionen, beskriver Stefania Salvadori, docent vid Florens universitet och medförfattare till studien som publicerades nyligen i Astrophysical Journal.

I data som samlats in med ESO:s VLT i Chile  (Europeiska sydobservatoriet- Very Large Telescope) fann astronomerna tre mycket avlägsna gasmoln från tiden då universum var 10 till 15 procent av sin nuvarande ålder. Gasmolnen visade kemiska fingeravtryck som överensstämde med det man förväntade sig från de första supernovorna. Beroende på stjärnans massa och energin i supernovan lämnade dessa första supernovor efter sig varierande mängder grundämnen som kol, syre och magnesium till nästa generations stjärnor.

Men vissa supernovaexplosioner var inte kraftiga nog att sprida än tyngre grundämnen som järn vilket bildas i tunga stjärnors centra (först av nästa generations stjärnors supernovadöd bildades järn) . För att söka efter resterna av stjärnor som exploderade som supernovor med låg energi letade därför forskarna efter gasmoln med låga halter av järn men höga halter av lättare grundämnen. De  gasmoln med rester från det tidiga universum med de karaktäristika man sökte efter vad de med mycket låga halter av järn men höga halter av kol och andra grundämnen.

Denna speciella kemiska sammansättning har observerats i gamla stjärnor i vår egen galax. Stjärnor som astronomerna anser vara andra generationens stjärnor bildade ur resterna av de första stjärnorna.

För att detektera och studera dessa stjärnor använde sig astronomerna av kvasarer vilket är extremt ljusstarka källor som drivs av aktiva supermassiva svarta hål i avlägsna galaxers centra. När ljuset från kvasarerna passerar genom universum och passerar  genom gasmoln lämnar de sken i gasmolnen som kan visa gasmolnets spektra av kemisk sammansättning. 

Forskarna analyserade ljuset från flera kvasarer genom dessa moln för att hitta avtryck av molnens sammansättning. Kvasarer som tidigare hade observerats med X-shooter ett instrumentet på ESO:s VLT. X-shooter sprider ut ljuset i ett spektrum av diskreta våglängder vilket gör det unikt välanpassat för att identifiera den kemiska sammansättningen i avlägsna gasmoln.

Studien öppnar nya möjligheter för nästa generations teleskop och instrument som ESO:s kommande Extremely Large Telescope och dess högupplösande spektrograf ANDES (ArmazoNes high Dispersion Echelle Spectrograph). Med ANDES på ELT kommer vi att kunna studera många av dessa sällsynta gasmoln i större detaljrikedom vilket gör det möjligt att avslöja egenskaperna hos de första stjärnorna” beskriver Valentina D’Odorico, astronom vid National Institute of Astrophysics i Italien och en av studiens medförfattare det i studien.

Bild vikipedia på ESO:s (Europeiska sydobservatorie i Chile) Very Large Telescope.