Ända sedan astronomer insåg att universum är i ett konstant tillstånd av expansion och att en massiv explosion sannolikt startade allt för 13,8 miljarder år sedan (Big Bang) har det funnits olösta frågor om när och hur de första stjärnorna bildades. Baserat på uppgifter som samlats in av NASA: s Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) och liknande uppdrag, tros detta ha hänt cirka 100 miljoner år efter Big Bang.
Mycket av detaljerna om hur denna komplexa process fungerade har förblivit ett mysterium. Emellertid visar nya bevis som samlats in av ett team som leds av forskare från Max Planck Institute for Astronomy att de första stjärnorna måste ha bildats ganska snabbt. Med hjälp av data från Magellan Telescopes vid Las Campanas observatorium observerade teamet ett gasmoln där stjärnbildningen ägde rum bara 850 miljoner år efter Big Bang.
Studien som beskrev sina resultat, som nyligen dök upp i Astrophysical Journal, leddes av Eduardo Bañados. En medlem vid Carnegie Institutionen för vetenskap vid den tiden, observerade Banados och hans kollegor gasmolnet medan de genomförde uppföljningsobservationer på en undersökning av 15 av de mest avlägsna kvasarerna.
Denna undersökning har utarbetats av Chiara Mazzucchelli, en astronom med European Southern Observatory (ESO) och en medförfattare till studien, som en del av sin doktorsexamen. forskning vid Max Planck Institute for Astronomy. När de undersökte spektra för en kvasar i synnerhet (P183 + 05) noterade de att det hade några ganska speciella egenskaper.
Med hjälp av Carnegie-institutionens 6,5 m Magellan-teleskop vid Las Campanas observatorium i Chile kände Banados och hans kollegor till de spektrala funktionerna för vad de var: ett närliggande gasmoln som lyste upp av kvasaren. Spektra berättade också hur långt gasmolnet var från jorden - över 13 miljarder ljusår bort - vilket gjorde det till det mest avlägsna som någonsin har observerats och identifierats av astronomer.
Dessutom fann de spektra som indikerade förekomsten av spårmängder av element som kol, syre, järn och magnesium - kemiskt betecknade som ”metaller” eftersom de är tyngre än helium. Sådana element skapades under det tidiga universum när de första generationerna av stjärnor (alias "befolkning III") släppte dem in i kosmos efter att de nådde slutet på sin livstid och exploderade som supernovaer.
Som Michael Rauch, en astronom från Carnegie Institution of Science och medförfattare till den nya studien, sa:
"Efter att vi var övertygade om att [vi] tittade på sådan orörd gas bara 850 miljoner år efter Big Bang började vi undra om detta system fortfarande kunde behålla kemiska signaturer som producerats av den allra första generationen stjärnor."
Att hitta den första generationen stjärnor har länge varit målet för astronomer eftersom det skulle möjliggöra en mer omfattande förståelse av universums historia. När tiden gick spelade element som är tyngre än väte en nyckelroll i bildandet av stjärnor, där materien klumpar samman på grund av ömsesidig attraktion och sedan genomgår gravitations kollaps.
Eftersom endast väte och helium tros ha funnits i universum efter Big Bang, hade den första generationen av stjärnor inte dessa kemiska element - vilket gör dem åtskilda från varje generation som följde. Det var därför förvånande att notera ett relativt överflöd av dessa element i ett så tidigt gasmoln, som faktiskt var jämförbart med vad astronomer ser i intergalaktiska gasmoln i dag.
Dessa observationer utgör en stor utmaning för konventionella teorier om hur de första stjärnorna i vårt universum bildades. I huvudsak indikerar det att stjärnbildningen måste ha börjat mycket tidigare för att producera dessa kemiska element. Baserat på studier som involverar supernovaer av typ Ia beräknas det att de explosioner som är nödvändiga för att producera dessa metaller med det observerade överflödet skulle ta ungefär 1 miljard år att hända.
Kort sagt, forskare kan ha varit borta av ungefär en generation när det gäller när de första stjärnorna föddes, vilket antyder att det kan ha funnits några under universumets tidigaste eoner. Detta innebär effektivt att de första stjärnorna skulle ha behövt formas ganska snabbt från den primära soppan av väte och helium som var det tidiga universum. Denna upptäckt kan ha allvarliga konsekvenser för teorier om kosmisk utveckling.
Som Bañados sa, är målet nu att bekräfta detta genom att hitta ytterligare gasmoln som har liknande kemiska överflöd:
”Det är spännande att vi kan mäta metallicitet och kemiska överflöd så tidigt i universums historia, men om vi vill identifiera signaturerna från de första stjärnorna måste vi undersöka ännu tidigare i kosmisk historia. Jag är optimistisk för att vi hittar ännu mer avlägsna gasmoln, vilket kan hjälpa oss att förstå hur de första stjärnorna föddes. ”
Relativitet berättar att rum och tid är två uttryck för samma verklighet. Ergo, genom att titta längre ut i universum, ser vi också längre tillbaka i tiden. På så sätt har astronomer kunnat anpassa sina kosmologiska modeller och idéer om hur och när allt började. Att veta att de första stjärnorna i universum kunde ha sitt ursprung tryckt tillbaka till en ännu tidigare tid; det är bara en del av inlärningskurvan!
