Galaxens historia är skriven i stoft

Solsystemet vimlar av rester av stjärnor som brann ut och spred stoft och gas i galaxen för miljarder år sedan – men först nu har astronomerna ett konkret bevis för det.

Forskare på naturhistoriska Field Museum och University of Chicago har tagit fram det lilla stoftkornet ur Murchison-meteoriten och i januari 2020 offentliggjorde de sin upptäckt att det är över sju miljarder år gammalt.

Solsystemet bildades för 4,6 miljarder år sedan så stoftkornet är ungefär tre miljarder år äldre, och därmed en slags tidskapsel från tiden innan solen föddes.

Dateringen har fått stor uppmärksamhet eftersom det mikroskopiska stoftkornet är det absolut äldsta material som forskare hittills har lyckats datera.

Stoftkornet har bidragit till att skriva Vintergatans historia – en historia om stjärnor och planeter som aldrig hade fötts utan det oansenliga stoftet.

Rymdstoft ligger i fönsterkarmen

Astronomernas stoft är inte dammråttor – även om det också finns kosmiskt stoft i det damm som ligger på våra fönsterkarmar. Partiklarna är dock mindre än sandkorn och en tusendels eller miljondels millimeter stora.

De består vanligtvis av grundämnena syre, kisel, magnesium, kol och järn – ungefär som jordskorpans mineraler – men kan också vara sotpartiklar av rent kol som dem som finns i röken från ett stearinljus.

Varje dygn träffas jorden av 43 ton rymdstoft som kommer från utbrända stjärnor. Faktum är att allt i naturen omkring oss består av atomer som, liksom stoftkornet från Murchison-meteoriten, har bildats i stjärnorna för miljarder år sedan.

Bara de allra lättaste grundämnena bildades vid stora smällen – gaserna väte och helium samt lite litium.

I stjärnors centrum kan de lätta grundämnena smälta samman till allt tyngre atomer och på så sätt har de grundämnen som jorden och även vi själva består av bildats.

Trots att i stort sett allt i princip är stjärnstoft är det dock extremt svårt att hitta stoftkorn som är äldre än jorden.

Det beror på att det inre av solsystemet värmdes upp rejält av den unga solen så att stoftet smälte och ändrade form.

Strax efter att jorden bildats var den täckt av ett hav av lava och sedan dess har vulkanutbrott och kontinentaldriften bidragit till att förändra sammansättningen av det ursprungliga byggmaterialet.

Jorden består visserligen av stjärnstoft, men det mesta av det har i dag transformerats till oigenkännlighet.

Babyboom i Vintergatan före solen

För att hitta kosmiskt stoft på jorden måste forskarna söka efter något som har kommit hit nyligen, som Murchison-meteoriten.

Forskarna krossade en del av rymdstenen och analyserade innehållet med hjälp av masspektroskopi, en metod som kan bestämma enskilda atomers massa.

På så sätt isolerade de ett stoftkorn av material som omöjligt kunde ha bildats på jorden, och bestämde dess ålder. Medan stoftkornet svävade runt i rymden utsattes det för kosmisk strålning, vilket förvandlade några av dess atomer till neonatomer.

Genom att mäta mängden neon med extrem precision kunde forskarna därför se hur länge stoftet färdats runt på egen hand.

Utöver det mer än sju miljarder år gamla stoftkornet fann forskarna flera andra stoftkorn i Murchison-meteoriten som också ser ut att komma från utbrända stjärnor, men som inte är riktigt lika gamla.

De flesta har mellan 4,6 och 4,9 miljarder år på nacken så de måste komma från stjärnor som brann ut innan solsystemet uppstod.

Forskarnas modeller för stjärnors utveckling visar att kiselkarbid, som stoftkornen består av, primärt bildas av stjärnor med en livslängd på strax över två miljarder år.

Det betyder att de stjärnor som levererat merparten av stoftkornen bildades för sju miljarder år sedan. Stoftkornen avslöjar på så sätt för astronomerna att det tycks ha varit en boom i stjärnbildningar i vår galax vid den tidpunkten.

Astronomer diskuterar nu om nya stjärnor bildas i en konstant takt eller om det går upp och ned, och analysen av Murchison-meteoriten pekar alltså på att det kanske finns perioder med högre aktivitet.

Kosmiskt stoft bildas inte bara i medelstora stjärnors dödsryckningar, som stoftkornen i Murchison-meteoriten. De allra största stjärnorna dör som supernovor i gigantiska explosioner, vilket producerar enorma mängder stoft som kastas ut i världsrymden.

Det hittade astronomer på universiteten i Aarhus och Köpenhamn bevis på 2014 efter att ha observerat resterna av supernovan SN 2010jl under två och ett halvt år.

Med ett särskilt instrument, som är kopplat till Very Large Telescope i Chile, kunde de se hur det löpande bildades stoft av den stora stjärnans rester.

Under de 868 dygn astronomerna studerade stjärnan bildade den stoft nog för 830 jordklot.

Resterna av exploderade jättestjärnor kan också hitta hela vägen till jorden. 2019 fann tyska forskare stoft från en supernova när de analyserade 20 år gammal snö från Antarktis.

Här upptäckte de järn av en särskild radioaktiv typ som kallas järn-60, vilket bara kan bildas i en supernova. På sin väg runt Vintergatan måste solsystemet alltså ha passerat genom ett stoftmoln som efterlämnats av en supernova.

Stoftet skymmer Vintergatans ljus

Historiskt sett har stoftet mellan stjärnorna gett astronomerna en del huvudbry. Det blockerar ljuset från stjärnorna genom att absorbera synligt ljus.

På ungefär samma sätt som pyttesmå vattendroppar i luften kan bilda dimma som gör att vi inte kan se solen utgör det kosmiska stoftet en ogenomtränglig dimma i galaxen. Sett från jorden skulle Vintergatan lysa tusen gånger starkare om det inte var för allt stoft som skymmer ljuset.

Ända fram till 1950-talet gjorde stoftmoln det omöjligt för astronomer att få en överblick över Vintergatan – på den tiden anade forskarna därför inte att vi bor i en roterande spiralgalax med långt över hundra miljarder stjärnor.

Först när mer avancerade radioteleskop utvecklades kunde astronomerna börja kartlägga Vintergatan eftersom radiovågor kan tränga igenom stoftet utan problem.

Det mesta kosmiska stoftet håller sig till galaxer, men en liten del svävar runt i världsrymden mellan galaxerna.

Här stör det astronomernas mätningar när de försöker studera himlakroppar som är mycket långt bort. Ljuset från fjärran galaxer och supernovor kan visserligen tränga igenom de mycket tunna stoftmolnen, men dämpas längs vägen och det blir därför svårare att avgöra hur kraftigt en himlakropp egentligen lyser.

Astronomer använder just ljusstyrkan till att bedöma avståndet till fjärran föremål och bland annat för att mäta hur snabbt universum utvidgar sig.

Därför försvårar det inter­galaktiska stoftet utforskning av universum.

Astronomerna suckar ibland över det kosmiska stoftet som försvårar deras jobb, men de skulle inte ha så mycket att titta på om inte stoftet funnits.

Faktum är att teoretiska modeller för stjärnbildning visar att en stjärna som solen aldrig kan ha bildats utan kosmiskt stoft.

Ingen stjärnbildning utan stoft

Stjärnor bildas av enorma moln av gas och stoft som kollapsar under sin egen vikt. I takt med att molnet kollapsar blir det också varmare eftersom gasmolekylerna kommer närmare varandra och kolliderar oftare.

Där gravitationen försöker dra ihop molnet kommer molekylerna i den varma gasen röra sig från varandra och därmed utvidga molnet.

Vid en viss tidpunkt skulle molnets sammandragning helt upphöra om det inte var för just stoftet.

Stoftpartiklarna hjälper molnet att bli av med värmen genom att omvandla energin till infraröd strålning – värmestrålning – som kan tränga ut ur molnet och spridas i rymden.

Först då blir det möjligt för molnet att samlas till en protostjärna där trycket i centrum till sist blir högt nog för att väte ska fusioneras till helium, och stjärnan antänds.

Stjärnbildningen kräver alltså stoft, och stoftet kommer från döda stjärnor. Men det gör att man frågar sig hur de första stjärnorna kunde bildas i ett universum utan stoft.

Här lutar astronomerna mest åt att universums första stjärnor måste ha varit giganter långt större än solen, som bildades av motsvarande större gasmoln där gravitationen var så stor att den kunde övervinna det utåtriktade trycket från den varma gasen.

Teleskop ser hur planeter skapas

Det är inte möjligt att se hur en stjärna föds med sina planeter genom ett vanligt teleskop just för att stjärnor bildas i mitten av stora moln av gas och stoft som synligt ljus inte kan tränga igenom.

Varmt stoft avger dock även andra former av elektromagnetisk strålning som har längre våglängd än det synliga ljuset – infraröd strålning och mikrovågor – och denna strålning fångas upp av det internationella observatoriet ALMA, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array.

Teleskopet, som är uppfört på fem kilometers höjd i den chilenska Atacama­öknen, består av 66 stora parabolantenner.

Med ALMA kan astronomerna inte bara se rakt igenom det kalla stoftet som finns i gasmolnet, de kan också zooma in på allt det varma stoft som kretsar runt de yngsta stjärnorna och direkt se de hål som uppstår på de platser där stoftet samlas och blir till planeter.

ALMA:s observationer har därmed bekräftat astronomernas teorier om hur planeterna bildas av det stoft som kretsar runt stjärnor.

Efter det att planeter och månar har bildats av kosmiskt stoft uppstår en ny form av stoft på planeternas ytor. På mindre planeter som saknar atmosfär bombarderas ytan hela tiden av små meteoriter.

De pulvriserar berggrunden och ska­par stoftpartiklar som mest påminner om pyttesmå glasskärvor. Det tjocka lagret av mycket fint stoft som täcker månen har bildats på det viset.

På stenplaneter som har en atmosfär uppstår stoftet på ett annat sätt. Här smulas berggrunden lugnt och stilla sönder av vinden så att det bildas finkornig sand och stoft.

Det sker till exempel på Mars, där vinden virvlar upp stoftet och sprider det på planeten. Varje år utväxlas 2,9 miljarder ton stoft mellan ytan och atmosfären.

2018 upptäckte geologer från USA och Kanada varifrån en stor del av stoftet på Mars kommer. De jämförde mätningar från olika Marsrovrar med de mätningar som satelliten Mars Odyssey, i omloppsbana runt Mars, har skickat hem till jorden sedan 2001.

Marsstoftet är generellt rikt på klor och svavel, och forskarna upptäckte att det har samma kemiska sammansättning som en stor geologisk formation, Medusae Fossae, nära Mars ekvator.

Formationen har skapats av explosiva vulkanutbrott. För över tre miljarder år sedan spred sig vulkanaska över ett område som motsvarar halva Europa, och sedan dess har vinden slitit bort stoftkorn från den relativt mjuka avlagringen.

Nu återstår två miljoner kvadratkilometer, en femtedel av Eu­ropas areal, av Medusae Fossae som har en genomsnittlig tjocklek på 600 meter.

Månstoft skadar människors dna

Stoftet på månen och Mars utgör ett stort problem för rymdfarten när det gäller utforskning och framtida baser.

Det fina stoftet tränger in överallt och kan förstöra rymddräkter, maskiner, instrument och solceller samt utgör också en hälsorisk för de astronauter som får med sig stoft efter att ha vandrat runt i rymddräkt.

Apollo-astronauterna som gick runt på månen berättade om hur månstoftet fick dem att nysa och deras ögon att tåras. 2018 lade amerikanska forskare fram be­vis för att månstoft till och med kan skada dna i människans celler.

Om människor ska bosätta sig på månen och senare Mars måste stoftet hindras från att följa med in i rymdkapslar och rymd­stationer. Lösningen kan vara att ge astronauterna en dusch innan de tar av sig sin rymddräkt.

Stoft är dock inte bara ett problem, det är också en resurs. Både på månen och på Mars innehåller stoftet till exempel massor av syre som kan utvinnas med elektricitet. Genom elektrolys frigörs syreatomer från de mineraler de är bundna i.

På så sätt kan astronauterna andas och syret kan också användas till raketbränsle. Stoftet kan också användas för att bygga bostäder åt bosättarna. Experiment med att förvandla simulerat månstoft eller Marsstoft till byggmaterial med hjälp av 3D-skrivare har gett hoppingivande resultat.

Planeterna uppstod av stoft och en gång kommer vår egen planet att bli stoft igen när solen får slut på väte i kärnan och svullnar upp till en röd jättestjärna och slukar planeten. Det sker om fem miljarder år och då kommer solen att slunga ut stora mängder gas och stoft.

Stoftkorn som slungas ut i Vintergatan i solens sista dödsryckningar kan sedan ingå i bildandet av nya stjärnor och planeter.

Precis som forskarna i Chicago hittade ett stoftkorn som slungats ut från en röd jättestjärna för sju miljarder år sedan kan forskare i en framtida civilisation kanske en dag analysera stoftkorn från sol­systemet och skriva dess kosmiska historia.