Øverst til høyre et bilde fra 2011, der Icarus ikke er synlig. Det nederste bildet er tatt i 2016, da Icarus har blitt synlig. (Foto: NASA, ESA, Patrick Kelly/University of Minnesota)
Astrofysikere oppdager fjerneste stjerne noensinne
Forskningen kan fortelle mer om hva mørk materie består av.
Kjente avstander
Forskerne kunne regne ut avstanden til stjernen Icarus fordi den ligger i samme galakse som Refsdal-supernovaen.
– Dette har stor betydning for de opplysningene vi kan avlede fra stjernen. Vi kan si ganske presist hva slags stjerne det er, ut fra lysstyrken, fargene og ved å sammenligne med stjerner vi kjenner fra vårt lokale univers, forklarer Jonatan Selsing.
Gravitasjonslinseeffekten
… virker som et gigantisk forstørrelsesglass, skapt av naturen selv. Det er et fenomen som oppstår når tunge objekter krummer rommet rundt seg. Denne krummingen ble første gang forutsagt av Albert Einstein.
Lyset fra den fjerneste lyskilden, som for eksempel en supernova, blir bøyd av tyngdekraften fra lyskilden foran, for eksempel en stor samling galakser som forsterker lyset fra den fjerne supernovaen.
Ni milliarder lysår. Så langt har lyset fra stjernen Icarus reist for å nå frem til oss her på jorden.
Det er ikke bare en verdensrekord: Det burde være umulig. Teleskopene kan nemlig ikke se så langt tilbake i tid.
Når det likevel har vært mulig, skyldes det et naturlig fenomen der tunge masser bøyer av rommet og skaper et slags forstørrelsesglass i rommet. Det vender vi tilbake til.
– Normalt kan vi ikke se enkelte stjerner særlig langt unna, fordi de er så lyssvake. Lyset fra denne stjerna ble sendt ut for 9 milliarder år siden. Det er ganske utrolig, mener Jonatan Selsing. Han er doktorgradstudent ved Niels Bohr-instituttet og har vært med på to nye studier som nylig er publisert i tidsskriftet Nature Astronomy.
Amerikansk kollega oppdaget lysglimt
Forskerne holdt egentlig på med å studere galaksehopen MACS J1149+2223 i en annen forbindelse da den amerikanske professoren Patrick Kelly oppdaget et usedvanlig lysglimt i datasettet. Han samarbeider med de danske forskerne om å studere data fra det berømte Hubble-teleskopet for å lære mer om supernovaer i det fjerneste universet.
En supernova er en eksplosjon som markerer en stjernes endelikt og sender ut voldsomme mengder energi på en gang.
Kelly sendte straks sine mystiske observasjoner videre til kollegene sine, blant andre Jonatan Selsing og professor Jens Hjorth ved grunnforskningssenteret DARK ved Niels Bohr-instituttet.
– Han skrev bare at han hadde oppdaget noe merkelig. Til å begynne med visste vi ikke hva det var, forteller Selsing.
Lys forsterket 2000 ganger
Først trodde de det var en supernova. Men det var en helt vanlig stjerne.
Lys hadde reist lenger enn lyset fra noen annen stjerne vi mennesker har observert.
Et lysår er den avstanden lys reiser på et år, og siden forskerne regner med at universet er omkring 13 milliarder år gammelt, burde lyset fra Icarus ha begynt reisen sin da universet «bare» var 4 milliarder år gammelt.
– Det er over 100 ganger lenger unna enn den nest fjerneste stjernen vi har observert. Vi ser igjen nesten tre fjerdedeler av tiden til big bang, sier Patrick Kelly, som er hovedforskeren bak de nye studiene, til theguardian.com.
Stjernens lys hadde blitt forsterket over 2000 ganger takket være den såkalte gravitasjonslinseeffekten.
Effekten ble ytterligere intensivert av at stjernen beveget seg rett over det stedet der lyset ble bøyd aller mest. Forskerne kaller det «den kritiske kurven».
Gravitasjonslinser gjør det mulig for oss her på jorda å se mye, mye lenger tilbake i tid enn det ellers ville være mulig å gjøre.
Ikke mulig å måle spektrum
Den voldsomme forstørrelsen av stjernens lys inspirerte forskerne til å gi den navnet Icarus, etter den greske sagnfiguren som fløy for tett på solen. Navnet virker enda mer passende når man vet at stjernen for lengst er forsvunnet.
Ut fra Hubble-dataene kunne de regne seg frem til at det var en blå kjempestjerne med en temperatur på omkring 10 000 grader. Det er dobbelt så varmt som vår sol.
Blå kjempestjerner er svært varme og store stjerner – de har opptil 100 ganger så mye masse som solen. Tross den imponerende størrelsen er de imidlertid ikke uvanlige.
Forskerne ville gjerne ha tatt et såkalt «spektrum» av stjernen, det vil si målinger av den kjemiske sammensetningen, men lyset var for svakt.
Trenger flere observasjoner
I stedet gikk forskerne på jakt etter flere observasjoner som kunne bekrefte funnet. Og de klarte å finne et lignende lysglimt som ser ut til å ha vært sendt ut for 8 milliarder år siden.
Men denne observasjonen er ikke forskerne like sikre på. Signalet er ikke like tydelig, og det er vanskeligere å fastslå om det er snakk om en stjerne.
Likevel er det smart å lete etter flere observasjoner, mener fysikkprofessor Ariel Goobar fra Stockholm Universitet. Han har lest, men ikke deltatt i, den nye studien. Jo flere observasjoner, jo bedre målinger, fordi vi neste gang vil vite hva vi ser etter, påpeker han.
– Første gang du tar en måling, er den aldri like god som den blir neste gang, sier Goobar.
– De har vist at det er mulig
Ariel Goobar understreker at forskningen er spennende og åpner for en lang rekke nye studier. Blant annet studier av hvordan universets tidligste stjerner utviklet seg.
– Hittil har vi bare studert individuelle stjerner i vår egen galakse, og de nærmeste galaksene. De nye observasjonene gjør nok at stjerneforskere hopper av glede, sier han.
Goobar arbeider selv med gravitasjonslinseeffekten, og det er første gang den brukes til en så ekstrem måling, påpeker han. Derfor mener han også at vi bør varsomme med å trekke konklusjoner for tidlig.
– Med bare to observasjoner og begrenset med data bør vi være forsiktige. Men de har vist at det er mulig, og nå skal funnene følges opp.
Kan fortelle om mørk materie
Allerede når James Webb-teleskopet sendes ut i rommet i 2020, blir det antagelig mulig å finne mange flere fjerne stjerner.
Det vil trolig fortelle forskerne mer om mørk materie.
Mørk materie er et av universets største mysterier: Vi vet at det finnes, men ikke hva det er. Det lar seg bare måle på grunn av tyngdekraften.
Ifølge én teori for mørk materie består det av tunge objekter som sorte hull, men denne teorien forsøker forskerne å utelukke i et av de to nye studiene. Her argumenterer de for at lyskurven fra Icarus ville være mer «hakkete» hvis det var tilfellet. I stedet er den relativt glatt, forteller Jonatan Selsing.
– Vi kan med dette si noe om hvor glatt fordelingen av mørk materie kan være, og hvor mye partiklene interagerer med hverandre. Det er ikke hugget i stein at vi har rett i fortolkningene våre, men etter hvert som vi ser flere av disse lysglimtene, kan vi avgjøre det. Inntil videre har vi sett to, og vi er ikke 100 prosent sikre på den ene. Det er et veldig nytt felt, avslutter han.
Referanser:
P.L. Kelly mfl: «Extreme magnification of an individual star at redshift 1.5 by a galaxy-cluster lens», Nature Astronomy (2018), doi:10.1038/s41550-018-0430-3
S.A. Rodney mfl: «Two peculiar fast transients in a strongly lensed host galaxy», Nature Astronomy (2018), doi:10.1038/s41550-018-0405-4 Sammendrag
© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.
