Ett grundämne, två vägar: hur fosforhalten har förändrats över tid i vår Vintergata

Vi möter många grundämnen varje dag, från kisel, litium och kol i våra telefoner till syre och kväve i luften. Dessa grundämnen har sitt ursprung i stjärnorna. Efter att Big Bang skapade mestadels väte, helium och en liten andel litium smiddes de tyngre grundämnena bland annat i stjärnors inre, i supernovor och kilonovor, för att sedan åter införlivas i nya stjärnor och planeter—inklusive solen och jorden—i vår Vintergata.

I en ny studie av Mingjie Jian från Institutionen för astronomi vid Stockholms universitet står fosfor i fokus. Det är en del av kroppens ”hårdvara”: tillsammans med kalcium bygger det upp skelett och tänder. Ändå är fosfors ursprung inte särskilt väl förstått. I studien utnyttjas svaga fosforlinjer i det när-infraröda våglängdsområdet för att visa att äldre stjärnhopar (äldre än 1 miljard år) får stigande fosforhalter med åldern, medan yngre populationer (yngre än en miljard år), inklusive unga variabla stjärnor, uppvisar konstanta till endast svagt föränderliga fosforhalter.

Vårt fosfordiagram fungerar som en kemisk klocka, säger Dr. Mingjie Jian, huvudförfattare till artikeln. Det berättar när Vintergatan fyllde på hyllorna med ett livsviktigt grundämne – och vilka stjärnor som gjorde det.

De två vägarna (yngre stjärnor/stjärnhopar och äldre stjärnhopar) behöver förklaras med två olika bildningsscenarier för fosfor. För de unga stjärnhoparna är processen förhållandevis enkel. De ligger alla nära Solen och bildades från samma gasreservoar. Lågmassiva stjärnor skickar ut fosforrik gas i slutet av sina liv genom stjärnvindar, vilket långsamt adderar mer och mer fosfor till det interstellära mediet nära vår sol. Denna långsamma påfyllning förklarar varför de allra yngsta stjärnorna/stjärnhoparna på den vänstra sidan i figuren uppvisar en något högre forsforhalt.

De äldre stjärnhoparna uppvisar ett annat beteende. De bildades från gas som blivit berikad med tyngre grundämnen av tidigare stjärnor under olika tidsperioder. I de äldsta hoparna skedde detta tidigt och snabbt, medan det för de något yngre hoparna skedde långsammare. Utvecklingen av fosforhalt reflekterar denna process. I figuren ovan kan man se att de hopar som bildades först (de äldsta hoparna längst till höger) och som hade den tidiga och snabba berikningen också innehåller mest fosfor.

De flesta tidigare studier av fosfor har fokuserat på hur halten varierar i förhållande till andra grundämnen men saknat tillförlitliga åldrar för stjärnorna. Utan åldrar är det svårt att avgöra när olika stjärnkällor dominerade fosforproduktionen. Öppna stjärnhopar löser detta: deras stjärnor har samma ålder och sammansättning, så fosfor kan placeras på en tidslinje snarare än enbart jämföras med andra ämnen.

Att se ett tidigt spår drivet av massiva stjärnor sida vid sida med ett senare spår drivet av lågmassiva stjärnor förändrar tidslinjen för livets byggstenar i vår del av Vintergatan, tillägger Dr. Xiaoting Fu, andraförfattare till arbetet vid Purple Mountain Observatory. Det ger också teoretiker ett mer precist mål för att simulera hur fosforhalten utvecklas i vår Vintergata.

Studien observerade stjärnor i 24 öppna stjärnhopar tillsammans med 20 unga variabla stjärnor med GIARPS vid Telescopio Nazionale Galileo på La Palma, Spanien. Datamaterialet ingår i Stellar Population Astrophysics (SPA), ett stort program lett av Livia Origlia (INAF – OAS Bologna), samt i programmet för öppna stjärnhopar lett av Angela Bragaglia (INAF – OAS Bologna) och variabelprogrammet lett av Giuseppe Bono (Università di Roma Tor Vergata).

Mer om projektet

Resultaten är publicerade i en artikel i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
Denna forskning använder instrumentet GIARPS monterat på det italienska Telescopio Nazionale Galileo, La Palma.
Forskningstudien är en del av SPA-projektet.

Kontakt

Mingjie Jian, Institutionen för astronomi, Stockholms universitet — mingjie.jian@astro.su.se