Ett internationellt team av astrofysiker har utvecklat en modell som förklarar hur extremt massiva stjärnor smidde universums första stjärnkluster och galaxer. Dessa jättar, tusentals gånger tyngre än solen, lämnade kemiska avtryck i antika globulära kluster och kan ha sått tidiga svarta hål. Upptäckterna kopplar stjärnbildning till observationer från James Webb-teleskopet.
Ett internationellt team ledd av ICREA-forskaren Mark Gieles från Institute of Cosmos Sciences vid University of Barcelona (ICCUB) och Institute of Space Studies of Catalonia (IEEC) har skapat en ny modell som belyser extremt massiva stjärnor (EMS) med mer än 1 000 gånger solens massa. Publicerad i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, visar forskningen hur dessa kortlivade jättar formade bildandet och den tidiga utvecklingen av universums äldsta stjärnkluster.
Globulära kluster (GCs) är tätt packade, sfäriska samlingar av hundratusentals till miljontals stjärnor, som finns i nästan varje galax, inklusive Vintergatan. De flesta är över 10 miljarder år gamla och uppstod strax efter Big Bang. Stjärnorna i dessa kluster visar ovanliga kemiska sammansättningar, med varierande nivåer av helium, kväve, syre, natrium, magnesium och aluminium—förbryllande variationer som tyder på processer som ändrade den ursprungliga gasen.
Modellen utökar den inertial-inflow-teorin, tillämpad på tidiga universums förhållanden. I massiva stjärnkluster genererar turbulenta gasflöden naturligt EMS från 1 000 till 10 000 solmassor. Dessa stjärnor producerar kraftfulla vindar fyllda med hög-temperaturprodukter från väteisvamp, som blandas med opolluerad gas för att skapa distinkta kemiska fingeravtryck i efterföljande stjärnor.
"Vår modell visar att bara några få extremt massiva stjärnor kan lämna ett bestående kemiskt avtryck på ett helt kluster", förklarar Mark Gieles (ICREA-ICCUB-IEEC). "Det kopplar äntligen fysiken bakom globulära klusters bildande till de kemiska signaturerna vi ser idag."
Forskare Laura Ramírez Galeano och Corinne Charbonnel vid University of Geneva tillägger: "Det var redan känt att kärnreaktioner i centra av extremt massiva stjärnor kunde skapa lämpliga abundansmönster. Nu har vi en modell som ger en naturlig väg för att bilda dessa stjärnor i massiva stjärnkluster."
Denna process utspelar sig inom en till två miljoner år, innan supernovexplosioner, och undviker förorening från supernova-material. Upptäckterna sträcker sig till kväverika galaxer observerade av James Webb Space Telescope (JWST), som troligen innehåller GCs dominerade av EMS från tidig galaxutveckling.
"Extremt massiva stjärnor kan ha spelat en nyckelroll i bildandet av de första galaxerna", noterar Paolo Padoan (Dartmouth College och ICCUB-IEEC). "Deras luminans och kemiska produktion förklarar naturligt de kväverikade proto-galaxerna som vi nu observerar i det tidiga universum med JWST."
Dessa stjärnor tros kollapsa till intermediära massiva svarta hål som väger mer än 100 solmassor, potentiellt detekterbara via gravitationsvågor. Studien, detaljerad i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2025; 544 (1): 483, DOI: 10.1093/mnras/staf1314), erbjuder en enhetlig förklaring till stjärnbildning, kemisk berikning och ursprung till svarta hål i det tidiga universum.