Forscher entdecken chemische Beweise für eine Paar-Instabilität Supernova aus einem sehr massiven ersten Stern.

7. Juni 2023

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von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Während der kosmischen Dämmerung erleuchteten die ersten Sterne das Universum und beendeten die kosmischen "Dunklen Zeitalter", die auf den Urknall folgten. Die Verteilung ihrer Masse ist jedoch eines der großen ungelösten Rätsel des Kosmos.

Numerische Simulationen zur Bildung der ersten Sterne schätzen, dass die Masse der ersten Sterne mehrere hundert Mal so groß war wie die Masse unserer Sonne. Unter ihnen endeten die ersten Sterne mit Massen zwischen 140 und 260 Sonnenmassen als Paar-Instabilitäts-Supernovae (PISNe). PISNe unterscheiden sich sehr von normalen Supernovae (wie Typ II und Typ Ia Supernovae) und würden eine einzigartige chemische Signatur in der Atmosphäre von Sternen der nächsten Generation hinterlassen haben. Allerdings wurde keine solche Signatur 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 eigentümlichen Stern (LAMOST J1010+2358) im Galaktischen Halo als klaren Beweis für die Existenz von PISNe von sehr massereichen ersten Sternen im frühen Universum identifiziert. Die Studie basiert auf der Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope (LAMOST)-Umfrage und der Nachbeobachtung durch das Subaru-Teleskop mit hoher Auflösung. Es wurde bestätigt, dass dieser Stern in der von einer PISN mit 260 Sonnenmassen herrschenden Gaswolke entstanden ist.

Zu dem Team gehören auch Forscher von den Yunnan Observatories der CAS, dem National Astronomical Observatory of Japan und der Monash University in Australien.

Diese Studie wurde online in Nature veröffentlicht.

Das Forschungsteam hat eine Nachbeobachtung von J1010+2358 mit dem Subaru-Teleskop mit hoher Auflösung durchgeführt und Abundanzen für mehr als zehn Elemente abgeleitet. Das signifikanteste Merkmal dieses Sterns ist seine extrem niedrige Natrium- und Kobalt-Abundanz. Das Natrium-Eisen-Verhältnis ist niedriger als 1/100 des solaren Werts. Dieser Stern zeigt auch eine sehr große Abweichung bei der Abundanz zwischen Elementen mit ungerader und gerader Ladungszahl, wie Natrium/Magnesium und Kobalt/Nickel.

"Die eigentümliche Ungerade-Gerade-Abweichung sowie Mängel bei Natrium und α-Elementen in diesem Stern sind konsistent mit der Vorhersage von primordialen PISN von ersten Generationen von Sternen mit 260 Sonnenmassen", sagt Dr. Xing Qianfan, Erstautor der Studie.

Die Entdeckung von J1010+2358 ist ein direkter Beweis für die hydrodynamische Instabilität aufgrund der Produktion von Elektron-Positron-Paaren bei der Theorie der Evolution sehr massereicher Sterne. Die Erzeugung von Elektron-Positron-Paaren reduziert den thermischen Druck im Kern eines sehr massereichen Sterns und führt zu einer teilweisen Kollabierung.

"Es liefert einen wesentlichen Hinweis zur Begrenzung der anfänglichen Massenfunktion im frühen Universum", sagt Prof. Zhao Gang, der entsprechende Autor der Studie. "Vor dieser Studie wurde keine Evidenz für Supernovae von derart massereichen Sternen in den metallarmen Sternen gefunden."

Außerdem ist die Eisen-Abundanz von LAMOST J1010+2358 ([Fe/H]=-2,42) viel höher als bei den meisten metallarmen Sternen im galaktischen Halo, was darauf hindeutet, dass die in PISN-dominiertem Gas gebildeten Sterne der zweiten Generation metallreicher sein können als erwartet.

"Einer der heiligen Grals bei der Suche nach metallarmen Sternen besteht darin, Evidenz für diese frühen Paar-Instabilitäts-Supernovae zu finden", sagte Prof. Avi Loeb, ehemaliger Vorsitzender der Astronomieabteilung an der Harvard University.

Prof. Timothy Beers, Inhaber des Lehrstuhls für Astrophysik an der Notre Dame University, kommentierte die Ergebnisse: "Dieses Papier präsentiert meines Wissens die erste definitive Zuordnung eines Sterns im galaktischen Halo zu einer Abundanzmusterung, die von einer PISN stammt."

Journal Information: Nature

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