Det är en sorts kosmisk arkeologi som Thomas Nordlander ägnar sig åt på Ångströmlaboratoriet vid Uppsala universitet. Här söker han spåren efter det tidiga universum genom att kartlägga extremt gamla stjärnor som bär på ett kemiskt arv från den första generationen stjärnor.

I det unga universum fanns nästan bara väte och helium. Tyngre grundämnen som kol, syre, magnesium och järn existerade ännu inte i någon större mängd. De bildades i stjärnornas inre och spreds ut i rymden när stjärnorna dog, ofta i våldsamma supernovor. På så sätt lade de första stjärnorna grunden för den kemiska utveckling som senare gjorde planeter, och i förlängningen liv, möjliga.

Problemet är att de första stjärnorna aldrig har kunnat observeras med något teleskop. De levde sannolikt bara några miljoner år, en mycket kort tid i ett kosmiskt perspektiv. För att förstå hur de såg ut, hur massiva de var och hur de dog måste forskarna därför arbeta indirekt.

En tidskapsel

Nyckeln finns i vad som brukar kallas andra generationens stjärnor. De bildades ur gas som redan hade förorenats av de första supernovorna. Deras sammansättning avslöjar vilka ämnen som fanns i gasen när de föddes, och därmed också vilka spår de allra första stjärnorna lämnade efter sig.

– Varje sådan stjärna är egentligen en sorts tidskapsel, säger Thomas Nordlander.

I stället för att gräva i marken gräver astronomerna i stjärnljus. När ljuset från en stjärna delas upp i ett spektrum framträder mörka linjer där vissa våglängder har absorberats av ämnen i stjärnans atmosfär. Varje grundämne lämnar sitt eget mönster, som ett fingeravtryck. Genom att läsa av dessa mönster går det att avgöra vilka ämnen stjärnan innehåller och i vilka mängder.

Men vägen dit är lång. Först måste forskarna sålla bland enorma mängder stjärnor för att hitta de mest lovande kandidaterna. 

Vi kommer att kunna börja beskriva vad som hände i det tidiga universum innan det ens fanns galaxer som liknar Vintergatan.

Det handlar om att leta efter extremt metallfattiga stjärnor, alltså stjärnor med mycket små mängder av ämnen tyngre än helium. Inom astronomin räknas alla sådana ämnen som metaller, även kol och syre. Ju lägre metallhalt, desto större chans att stjärnan är mycket gammal och därmed bär på ett tidigt kemiskt arv.

Med dagens stora teleskop har forskare lyckats samla in spektra från ett hundratal sådana uråldriga stjärnor. Men observationerna är bara början. Den verkliga utmaningen är att tolka dem rätt.

Utvecklar metoder

Nu arbetar Thomas Nordlander med att utveckla och förfina metoderna för att ge forskningen en skjuts framåt. Många äldre analyser bygger på förenklade modeller där stjärnans atmosfär behandlas som ett stillastående lager i en enda dimension och där man antar att gasen befinner sig i lokal jämvikt. 

För vanliga stjärnor kan sådana antaganden ibland fungera hyggligt. För de mest metallfattiga och äldsta stjärnorna kan de däremot resultera i stora systematiska fel.

– Har man fel med en faktor 100, då är det ju inte så bra, som Nordlander uttrycker det.

Därför använder han betydligt mer realistiska modeller. I en sådan modell beskrivs stjärnans atmosfär i tre dimensioner, som en dynamisk miljö där het gas stiger och kallare gas sjunker, ungefär som i kokande vatten. Samtidigt tar modellerna hänsyn till att samspelet mellan ljus och materia inte alltid följer enkla jämviktsantaganden.

Den typen av beräkningar kräver stora datamängder, avancerad kod och tillgång till superdatorer.

Ny bild av det tidiga universum

Målet är inte bara att beskriva enstaka märkliga stjärnor, utan att bygga upp ett statistiskt underlag som kan förändra vår bild av det tidiga universum. 

– Enstaka fynd är lite som att samla frimärken, men jag vill jobba mot att ge en helhetsbild.

Om tillräckligt många av dessa kemiska tidskapslar kartläggs går det att börja besvara frågor som länge har gäckat forskningen. Hur massiva var de första stjärnorna? Var deras explosioner så svaga att bara de lättaste grundämnena kastades ut, eller så kraftiga att även de tyngsta spreds långt ut i rymden? Och hur påverkade de bildandet av de första galaxerna, till exempel den tidiga utvecklingen av Vintergatan?

Thomas Nordlander gläds åt att kunna arbeta med dessa forskningsfrågor i Uppsala. Det var här han doktorerade. Därefter bodde han några år i Australien och arbetade i en stimulerande forskningsmiljö. Han ville dock gärna återvända till den svenska akademiska kulturen som har en tydligare ”vi-känsla”, som han uttrycker det. Men utan anslaget Wallenberg Academy Fellow hade det knappast varit möjligt att genomföra detta storskaliga projekt i Sverige.

– Det finns inte så många andra finansieringsmöjligheter i Sverige för att anställa så här mycket folk, säger han.

De första stjärnorna är borta, men deras kemiska avtryck finns alltså kvar. Och genom att kunna läsa och tolka dem med större precision än tidigare så hoppas Thomas Nordlander kunna bidra till en bättre förståelse av universums tidiga utveckling. Men den här sortens forskning tar aldrig slut.

– Vi kommer aldrig att bli helt färdiga. Men vi kommer ändå kunna börja visa vad som hände i universum innan vi ens hade galaxer som liknar vår.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild  Magnus Bergström