We ontdekten de oorsprong van fluoride in vroege sterrenstelsels

Flouride is gemaakt door Wolf-Rayet-sterren, die hier in de Melkweg worden gezien door de Hubble-ruimtetelescoop. Krediet: NASA/Judy Schmidt, CC BY-SA 4.0.1-update

Kijk naar de ingrediënten op een tube tandpasta en je zult waarschijnlijk iets lezen als ‘bevat natriumfluoride’. Fluoride is, zoals u waarschijnlijk weet, belangrijk voor de tandgezondheid. versterkt het glazuurHet is de harde beschermlaag rond de tand en helpt zo tandbederf te voorkomen.

Je denkt misschien niet diep na over tandpasta. Maar zoals alle dingen op aarde, van het majestueuze tot het gewone, heeft fluoride – en het verhaal van de glimlach – een kosmische oorsprong. Nu, ik en mijn collega’s Een paper gepubliceerd in natuurlijke astronomie Dit gooit wat een licht op hem.

bijna alle natuurlijke elementen Lang geleden gevormd in de geschiedenis van het heelal. Waterstof is het oudste element: het ontstond kort na de oerknal, zo’n 14 miljard jaar geleden. Binnen een paar minuten na de oerknal, de elementen van het licht Helium, deuterium en lithium Het werd ook gevormd in een proces genaamd De nucleaire structuur van de oerknal. Sindsdien is bijna elk ander element gevormd in processen die verband houden met het leven en de dood van sterren. Maar die sterren waren er niet altijd.

We weten nog niet precies wanneer eerste sterren gevangen in het universum, maar zal waarschijnlijk niet gebeuren gedurende 100 miljoen jaar of zo na de oerknal. Daarvoor was het heelal gevuld met waterstofmist, vermengd met een mysterieuze en onzichtbare substantie die astronomen donkere materie noemen. Deze mist was niet zacht, maar golvend – op sommige plaatsen iets intenser. Het waren deze regio’s die begonnen te krimpen, of “instortten” als gevolg van de zwaartekracht, om de eerste te vormen sterrenstelsels. Toen het gas dicht genoeg werd, ontstaken de sterren en verlichtten het heelal.

De volgende paar miljarden waren een periode van snelle groei: de snelheid van stervorming in het heelal nam sterk toe tot het zijn hoogtepunt bereikte, 8 tot 10 miljard jaar geleden. Sinds die kosmische middag is de algehele snelheid van stervorming in het heelal afgenomen. Dit is de reden waarom astronomen zo geïnteresseerd zijn in de vroege stadia van de geschiedenis van het universum: wat er daarna gebeurde, vormde wat we vandaag om ons heen zien.

Hoewel we veel informatie hebben over hoe de groei van sterrenstelsels “stijgt” in termen van hun stervorming, hebben we relatief weinig inzicht in hun chemische evolutie in vroege tijden. Dit is belangrijk omdat, terwijl sterren leven en sterven, de elementen die ze produceren zich door de melkweg en daarbuiten verspreiden. Na vele jaren kunnen sommige van deze elementen nieuwe planeten vormen zoals de onze.

snelle ontwikkeling

We observeerden een verre melkweg genaamd NGP-190387 met Atacama grote millimeter/sub millimeter matrix (Alma) – een telescoop die licht detecteert met een golflengte van ongeveer één millimeter. Hierdoor kunnen we het licht zien dat wordt uitgestraald door stof en koud gas in verre sterrenstelsels. De gegevens brachten iets onverwachts aan het licht: een duik in licht met een golflengte van precies 1,32 millimeter. Dit komt exact overeen met de golflengte waarop het waterstoffluoride (HF) molecuul wordt gevormd, bestaande uit een waterstofatoom en fluor atoom, licht absorbeert (rekening houdend met de verandering in golflengte die optreedt als gevolg van de uitdijing van het heelal). Het gebrek aan licht duidt op de aanwezigheid van wolken waterstoffluoridegas in de melkweg. Dit licht deed er meer dan 12 miljard jaar over om ons te bereiken, en we zien het sterrenstelsel zoals het was toen het universum 1,4 miljard jaar oud was.

Dit is opwindend, omdat het informatie geeft over hoe sterrenstelsels voor het eerst werden verrijkt met chemische elementen kort nadat ze voor het eerst waren gevormd. We kunnen zien dat zelfs in deze vroege tijd NGP-190387 een hoog gehalte aan fluor had. Hoewel we andere elementen in verre sterrenstelsels hebben waargenomen, zoals koolstof, stikstof en zuurstof, is dit de eerste keer dat fluor is gedetecteerd in een stervormend sterrenstelsel op zo’n afstand. Hoe diverser de elementen die we in vroege sterrenstelsels kunnen waarnemen, hoe beter ons begrip van het chemische verrijkingsproces op dat moment.

We weten dat fluor op verschillende manieren kan worden geproduceerd: bijvoorbeeld in sterexplosies die supernova’s worden genoemd en op een bepaalde manier ‘Gigantische asymptotische tak’ Sterren – Rode reuzensterren naderen het einde van hun leven, hebben het grootste deel van de waterstof en helium in hun kernen verbrand en zijn nu opgeblazen in omvang.

Modellen van de vorming van elementen in sterren en supernova’s kunnen ons vertellen hoeveel fluor we van deze bronnen mogen verwachten. We ontdekten dat de overvloed aan fluor te hoog was in NGP-190387 om te worden verklaard door supernova’s en asymptotische reuzentaksterren alleen. Er was een extra bron nodig, misschien is dit een ander type ster genaamd a Wolf Wright. Wolf-Rayet-sterren zijn zeer zeldzaam – er zijn er bijvoorbeeld maar een paar honderd gecatalogiseerd in de Melkweg. Maar het zijn extremisten.

Wolf-Rayet-sterren vormen een fase in de levenscyclus van superzware sterren – meer dan tien keer de massa van onze zon. Deze sterren naderen het einde van hun korte leven, branden helium in hun kernen en ze zijn miljoenen keren helderder dan de zon. Ongebruikelijk verloren Wolf-Rayet-sterren hun waterstofomhulsel door sterke wind, waardoor de heliumkern bloot kwam te liggen. Het zal uiteindelijk exploderen in een dramatische supernova-explosie. Toen we de verwachte hoeveelheid fluor van Wolf-Rayet hebben toegevoegd sterren Volgens ons model kunnen we eindelijk de afname in licht uit NGP-190387 berekenen.

Dit draagt ​​bij aan een groeiend aantal bewijzen dat aantoont dat de groei van sterrenstelsels verrassend snel was in het vroege heelal: een razernij van stervorming en chemische verrijking. Deze processen leggen de basis voor: Universum We zien het tegenwoordig overal om ons heen, en dit werk biedt nieuw inzicht in de gedetailleerde astrofysica die meer dan 12 miljard jaar geleden in het spel was.

Maar misschien is het belangrijkste dat het laat zien dat het verhaal van je glimlach zo oud is als de tijd.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd van Gesprek Onder een Creative Commons-licentie. Lees de origineel artikel.