Onderzoekers hebben een verre quasar waargenomen met een ongebruikelijke samenstelling. En dat kan volgens hen alleen het puin zijn dat ontstond door een allesverslindende explosie van een oerster.

De allereerste sterren zagen waarschijnlijk het levenslicht toen het heelal slechts 100 miljoen jaar oud was – dat is minder dan één procent van zijn huidige leeftijd. Deze zogenoemde Populatie III-sterren waren massiever, helderder en heter dan hedendaagse sterren. Ze waren bovendien zo massief, dat wanneer ze als supernova explodeerden, ze zichzelf uit elkaar scheurden en de interstellaire ruimte bezaaiden met een kenmerkende mix van zware elementen. Al tientallen jaren speuren astronomen ijverig de nachtelijke hemel af, op zoek naar sporen van deze allereerste populatie sterren. En nu lijkt het eindelijk raak.

Meer over de Populatie III-sterren
Zoals gezegd zijn populatie III-sterren de allereerste sterren die zich na de oerknal vormden. Deze sterren leefden heel kort – mogelijk enkele honderdduizenden jaren – maar zijn wel belangrijk geweest voor de ‘evolutie’ van het universum. Deze sterren zetten lichte elementen in korte tijd om in zwaardere elementen, zoals zuurstof, stikstof, koolstof en ijzer. Zonder deze elementen waren wij er niet geweest, want ze zijn heel belangrijk voor het ontstaan van leven.

In een nieuwe studie hebben onderzoekers met behulp van de Gemini North-telescoop één van de verste quasars (hele heldere en krachtige energiebronnen) bestudeerd. Het licht van deze quasar doet er al bijna 13,1 miljard jaar over om de aarde te bereiken. Het betekent dat de onderzoekers dit object konden zien zoals het er uitzag toen het heelal slechts 700 miljoen jaar oud was.

Vreemde samenstelling
Na een grondige analyse komt het team tot een verrassende ontdekking. Zo blijken de gaswolken rondom de quasar een vrij ongebruikelijke samenstelling te hebben. In vergelijking met de verhouding van elementen in onze zon, bevatten de gaswolken meer dan tien keer zoveel ijzer als magnesium.

Super-supernova
Volgens de wetenschappers is er eigenlijk maar één waarschijnlijke verklaring voor dit opvallende kenmerk. En dat is dat ze hier op de overblijfselen zijn gestuit van een waanzinnige explosie van een oerster. Anders gezegd, het materiaal is volgens hen afkomstig van een Populatie III-ster die explodeerde in een super-supernova: een zogenoemde pair-instability supernova.

Artistieke impressie van een populatie III-ster die 300 keer massiever is dan onze zon en explodeert in een zogenoemde pair-instability supernova. Afbeelding: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine

Deze overtreffende trap van een supernova is tot nu toe nog nooit waargenomen. Maar men denkt dat op deze manier gigantische sterren – met een massa tussen de 150 en 250 keer die van onze zon – aan hun einde komen.

Hoe ontstaat het?
Een pair-instability supernova – overigens een nog altijd hypothetische supernova-explosie – ontstaat wanneer fotonen in het hart van een ster spontaan veranderen in elektronen en positronen (de positief geladen tegenhangers van elektronen). Deze conversie leidt tot een verminderde stralingsdruk, waardoor deze onder invloed van zijn eigen zwaartekracht ineenstort en vervolgens explodeert. In tegenstelling tot ‘normale’ supernova’s laten pair-instability supernova’s geen stellaire overblijfselen achter – zoals een neutronenster of zwart gat – maar blazen in plaats daarvan al hun materiaal weg. Er kan daardoor op slechts twee manieren bewijs voor deze bizarre explosies worden gevonden: ofwel via directe waarneming (hoogst onwaarschijnlijk) of door hun chemische handtekening te identificeren aan de hand van het materiaal dat ze in de interstellaire ruimte wegslingeren. En dat laatste is dus nu gebeurd.

Eerste sterren
Kortom, astronomen vermoeden dat ze de oude, chemische overblijfselen hebben ontdekt van de eerste sterren die het heelal verlichtten. En dat is een behoorlijke mijlpaal. Als dit wordt bevestigd, zal deze ontdekking meer inzicht verschaffen in hoe de materie in het heelal evolueerde tot wat het nu is – inclusief wijzelf.

Stapsgewijze uitleg van de ontdekking. Afbeelding: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine

Om de theorie grondiger te testen, zijn er echter veel meer waarnemingen nodig van andere objecten die vergelijkbare kenmerken hebben. Onderzoekers vermoeden dat er mogelijk nog steeds sporen van zware populatie III-sterren te vinden zijn, ook al zijn deze oersterren al lang geleden gestorven. Men denkt namelijk dat de chemische handtekeningen die ze achterlaten in hun uitgestoten materiaal mogelijk de tand des tijds goed weten te doorstaan. Dit betekent dat astronomen in staat zouden kunnen zijn om sporen te vinden in pair-instability supernova’s van lang vervlogen sterren. “We weten nu waar we op moeten letten,” zegt onderzoeker Timothy Beers. “Als dergelijke explosies in het jonge heelal hebben plaatsgevonden, dan zouden we er bewijs voor moeten vinden.”