Durch maschinelles Lernen und moderne Theorien zur Supernova-Nukleosynthese hat ein Forschungsteam festgestellt, dass die Mehrheit der beobachteten Sterne der zweiten Generation im Universum durch mehrere Supernovae angereichert wurde. Die Studie wurde im Astrophysical Journal veröffentlicht.
Nuklearastrophysikalische Forschung hat gezeigt, dass Elemente inklusive und schwerer als Kohlenstoff im Universum von Sternen produziert werden. Aber die ersten Sterne – Sterne, die kurz nach dem Urknall entstanden – besaßen keine solchen schweren Elemente, die Astronomen als „Metalle“ bezeichnen. Die nächste Sterngeneration enthielt nur eine kleine Menge an schweren Elementen, die von den ersten Sternen produziert wurden. Um das Universum in seiner Frühzeit zu verstehen, müssen Wissenschaftler diese metallarmen Sterne untersuchen.
Glücklicherweise gibt es solche metallarmen Sterne der zweiten Generation in unserer Milchstraßen-Galaxie, und ein Team aus Mitgliedern des Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) untersuchte sie, um die physikalischen Eigenschaften der ersten Sterne im Universum einzugrenzen.
Das Team unter Leitung des Gastprofessors Tilman Hartwig von Institute for Physics of Intelligence der University of Tokyo nutzte eine künstliche Intelligenz, um die Elementhäufigkeiten in mehr als 450 extrem metallarmen Sternen zu analysieren. Basierend auf dem neu entwickelten Algorithmus für maschinelles Lernen und trainiert an theoretischen Modellen zur Supernova-Nukleosynthese, stellten sie fest, dass 68 Prozent der beobachteten extrem metallarmen Sterne einen chemischen Fingerabdruck besitzen, der mit der Anreicherung durch mehrere vorangegangene Supernovae übereinstimmt.
Weitere Teammitglieder sind der Assistenzprofessor Miho Ishigaki (National Astronomical Observatory of Japan), der Gastseniorforscher und Professor Chiaki Kobayashi (University of Hertfordshire), der Gastseniorforscher und Professor Nozomu Tominaga (National Astronomical Observatory of Japan), sowie der Gastseniorforscher und Professor Emeritus Ken’ichi Nomoto (University of Tokyo).
Die Ergebnisse des Teams liefern die ersten quantitativen Grenzen anhand von Beobachtungen der Vielzahl der ersten Sterne.
„Die Mannigfaltigkeit der ersten Sterne wurde bislang nur durch numerische Simulationen vorausgesagt und es gab bis jetzt keine Möglichkeit, die theoretischen Voraussagen mit Beobachtungen zu überprüfen“, sagte der Hauptautor Hartwig. „Unsere Ergebnisse sprechen dafür, dass die meisten ersten Sterne in kleinen Sternhaufen entstanden, so dass mehrere ihrer Supernovae zur Metallanreicherungen des jungen interstellaren Mediums beitragen konnten.“
„Unser neuer Algorithmus bietet ein ausgezeichnetes Hilfsmittel, um die großen Datenmengen zu interpretieren, die wir in der nächsten Dekade von aktuellen und zukünftigen astronomischen Himmelsdurchmusterungsprojekten auf der ganzen Welt erhalten werden“, sagte Kobayashi.
„Im Moment sind die verfügbaren Daten alter Sterne die Spitze des Eisbergs innerhalb der Sonnennachbarschaft. Der unter Leitung des Kavli IPMU entwickelte Prime Focus Spectrograph, ein moderner Multi-Objekt-Spektrograf am Subaru Telescope, ist das beste Instrument, um alte Sterne in den äußeren Regionen der Milchstraßen-Galaxie weit jenseits der Sonnennachbarschaft zu entdecken“, sagte Ishigaki.
Der für diese Studie neu entwickelte Algorithmus öffnet die Tür, um das beste aus verschiedenen chemischen Fingerabdrücken der metallarmen Sternen herauszuholen, die vom Prime Focus Spectrograph entdeckt wurden.
„Die Theorie der ersten Sterne sagt uns, dass die ersten Sterne massereicher als die Sonne sein sollten. Die gängige Sichtweise lautet, dass der erste Stern in einer Gaswolke mit dem Millionenfachen der Sonnenmasse geboren wurde Allerdings deutet unser neues Ergebnis stark darauf hin, dass die ersten Sterne nicht allein entstanden, sondern stattdessen als Teil eines Sternhaufens oder in Doppelsternsystemen oder Mehrfachsystemen entstanden. Das bedeutet auch, dass wir Gravitationswellen von den ersten Doppelsternsystemen kurz nach dem Urknall erwarten können, die von zukünftigen Missionen im Weltraum oder auf dem Mond entdeckt werden könnten“, sagte Kobayashi.
(THK)
Antworten