Universums största stjärna

Hur stor är universums största stjärna? Den frågan fick jag nyligen men kunde inte ge något precist svar. Ändå passade frågan bra, för jag var just på väg till Japan för att delta i en konferens om massiva stjärnor. Kanske skulle jag kunna hitta svaret där.

En stjärna är en gigantisk glödande gasklump som hålls samman av sin egen tyngdkraft. Att den inte kollapsar under sin egen tyngd beror på att dess inre värms upp av fusionsprocesser. Det uppstår alltså en balans mellan tyngdkraften som verkar inåt och trycket från fusionsenergin som riktas utåt. Vår egen sol skiner i ett sådant jämviktsläge sedan årmiljarder, och kommer att fortsätta lysa lika länge till.

En stjärna kan inte vara hur liten som helst. Då kommer dess tyngdkraft inte att förmå skapa ett tillräckligt högt inre tryck för att sätta fart på fusionen. Gränsen för att en stjärna ska kunna tända ligger på nästan en tiondel av solens massa. Mindre gasklumpar, uppblåsta versioner av gasplaneten Jupiter, kallas för bruna dvärgar.

Vi vet alltså var gränsen går för de minsta stjärnorna – men finns det också en övre gräns?

Dagens astronomer förstår stjärnornas liv och uppbyggnad i ganska god detalj. Med hjälp av datorer kan vi göra modeller av stjärnans inre och dess livsförlopp. Hur stjärnor som solen fungerar tror vi oss därför begripa ganska väl. De tillbringar största delen av sitt liv i stabila jämviktstillstånd där fusionen och tyngdkraften håller varandra i schack. Eftersom fusionen även omvandlar lättare grundämnen till tyngre, genom att smälta samman atomkärnorna, förändras stjärnornas sammansättning långsamt. I solens inre fusioneras hela tiden väte till helium.

De allra största stjärnorna är de knepigaste. På konferensen i Japan frågar jag Paul Crowther, astronomiprofessor i Sheffield, varför vi egentligen vet så lite om de mest massiva stjärnorna. Svaret är, menar han, tvådelat. Dels har vi svårt att modellera dem. Deras enorma massor gör att de utvecklas så snabbt att de knappt stannar i det jämviktsläge mellan fusion och gravitation som kännetecknar stjärnorna. I stället lever de snabbt och dör unga.

Men vår rudimentära kunskap om stjärngiganterna beror delvis även på att de är så sällsynta att vi inte har särskilt bra observationer. Det senare håller Paul Crowther och hans forskargrupp på att förändra. Gruppen har inriktat sig på att försöka väga de mest massiva stjärnorna vi kan se. De har samlat på sig en lista av de bästa kandidaterna för titeln Största stjärnan. En av dessa ligger i Kölens stjärnbild på södra stjärnhimlen och går under namnet Eta Carina.

Eta Carina är definitivt en av de tyngsta stjärnorna vi känner till i vår egen Vintergata, med en matchvikt på över 100 solmassor (se F&F 1/2008). Den är mycket variabel och hade på 1840-talet ett kraftigt utbrott som under en tid gjorde den till stjärnhimlens näst ljusaste stjärna – trots att den ligger nästan 8 000 ljusår bort. Eta Carina är favoritobjekt för många astronomer och studeras i detalj med flertalet teleskop runt om på jorden och i rymden. Men den mest massiva stjärna vi känner till är den nog ändå inte.

För att få en klarare bild av de stora stjärnorna kikar Crowthers forskargrupp gärna mot våra närmaste satellitgalaxer. De är inte lika påverkade av skymmande stoft och osäkerheter i avstånds­bestämningen som stjärnorna i vår egen galax ofta är. R136 är ett gigantiskt stjärnbildningsområde i Tarantulanebulosan i det Stora magellanska molnet. Här tror sig Crowther finna den mest massiva stjärna vi kan se.

R136 har varit i hetluften i över trettio år. Uppskattningarna av massan på den mest massiva stjärnan i R136 har varierat kraftigt, och anledningen är att den inte är ensam. Liksom de flesta stjärnor bildas de mest massiva oftast i grupp. Svårigheten att upplösa stjärnorna gjorde att 1980-talets astronomer ansåg att stjärnan i R136 var mer än tusen gånger tyngre än solen. Men bättre observationer – exempelvis med Hubbleteleskopet – visade att det faktiskt handlade om en hop med stjärnor, och astronomerna började i stället luta åt uppfattningen att stjärnor kanske inte kan bli mycket tyngre än 150 gånger solens massa.

En annan stjärnhop som studerats noga av dem som letar tunga stjärnor heter Arches. Det är den tätaste stjärnhopen i Vintergatan och den ligger i Skyttens stjärnbild i närheten av galaxens centrum. Det var genom studier av denna stjärnhop som forskarna för knappt tio år sedan blev övertygade om att 150 solmassor är den övre gränsen för massiva stjärnor.

Men Paul Crowther var inte färdig.

Med både nya och gamla data – framför allt från VLT-teleskopet i Chile och Hubbleteleskopet – gick Crowthers grupp tillbaka till R136. En detaljerad analys pekade på att den största av stjärnorna i stjärnhopen – R136a1 – faktiskt är en riktig bamsing. Vågen stannade på 260 solmassor, och återigen fick astronomerna omvärdera hur massiva stjärnor faktiskt kan bli.

Denna dagens rekordhållare utmanar både teorier och observationer. Endast de skarpaste teleskopen duger för att genomföra de observationer som krävs, och stjärnmodellerarna har svårt att förstå hur så pass massiva stjärnor faktiskt kan existera. Tidigare trodde man att de kraftiga stjärnvindar som dessa superstjärnor sänder ut skulle blåsa sönder stjärnorna. Men uppenbarligen måste de modeller som menade att stjärnor på över 150 solmassor skulle vara instabila nu justeras.

Paul Crowther tror att vi nu hittat rätt i vår jakt på stjärnornas övre gräns, men sista ordet lär inte vara sagt. Stjärnan ifråga har även förlorat en del massa sedan den föddes – och var ursprungligen 300 gånger mer massiv än vår sol. Det är dubbelt så mycket som forskarna räknade med var möjligt för tio år sedan.

Om nu jättestjärnorna är så få, varför ska vi ens bry oss? Jo, för att de verkligen spelar roll! Det är de allra tyngsta stjärnorna som lyser mest. Även om det bara finns en stjärna i 100-solmassorsklassen bland miljoner andra, så kommer denna enda stjärna att stå för det mesta av ljuset.

När vi tittar ut i universum är det alltså företrädesvis de stora, men ovanliga, stjärnorna vi ser. De påverkar genom sitt korta intensiva livsförlopp i väsentlig utsträckning sin omgivning. Deras kraftiga stjärnvindar och intensiva ljusflöden rör om i den interstellära gasen, och sätter inte sällan i gång ny stjärnbildning i omgivningarna. Det är också de största stjärnorna som exploderar som supernovor, och på detta sätt levererar de tyngre grundämnen som behövs för att nya stjärnor ska bildas. Superstjärnorna dikterar alltså i mångt och mycket villkoren för de vanliga stjärnorna i universum.

Dessutom var de nog vanligare förr. Om vi ser tillbaka till det riktigt tidiga universum tror astronomerna att superstora stjärnor var de som satte i gång hela det kosmologiska kretsloppet. De första tyngre grundämnena, som kol och syre, skapades av de första massiva stjärnorna som också var universums första ljuskällor efter själva big bang. Att spåra slutet på den mörka era som de första stjärnorna lyste upp, är ett av huvuduppdragen för det planerade James Webb-teleskopet, som ska ersätta Hubbleteleskopet som vårt skarpaste öga mot universums gränser. Det är de allra största stjärnornas lyskraft som vi får hoppas på för att detta ska lyckas.