Naukowcy z MIT odkryli najstarsze gwiazdy wszechświata na podwórku naszej galaktyki Wiadomości MIT

Badacze z MIT, w tym kilku studentów, odkryli trzy najstarsze gwiazdy we wszechświecie i tak się składa, że ​​żyją w naszym galaktycznym sąsiedztwie.

Zespół odkrył gwiazdy w „halo” Drogi Mlecznej – obłoku gwiazd pokrywającym cały główny dysk galaktyczny. Z analiz zespołu wynika, że ​​trzy gwiazdy powstały między 12 a 13 miliardami lat temu, czyli w czasie, gdy powstały pierwsze galaktyki.

Naukowcy nazwali małe, akreujące gwiazdy w tym układzie „SASS”, ponieważ wierzyli, że każda gwiazda należała kiedyś do własnej małej, pierwotnej galaktyki, która została wchłonięta przez większą, wciąż rosnącą Drogę Mleczną. Dziś po galaktykach pozostały tylko trzy gwiazdy. Krążą na obrzeżach Drogi Mlecznej, gdzie zespół podejrzewa, że ​​może znajdować się więcej pozostałości po starożytnych gwiazdach.

„Te starsze gwiazdy z pewnością istnieją, biorąc pod uwagę to, co wiemy o powstawaniu galaktyk” – mówi Anna Frebel, profesor fizyki w MIT. „Są częścią naszego kosmicznego drzewa genealogicznego. Teraz mamy nowy sposób na ich odnalezienie”.

Odkrywając podobne gwiazdy SASS, badacze mają nadzieję wykorzystać je jako odpowiedniki ultrasłabych galaktyk karłowatych, które uważa się za jedne z pierwszych galaktyk, które przetrwały we wszechświecie. Galaktyki te pozostają nienaruszone do dziś, są jednak zbyt odległe i słabe, aby astronomowie mogli je dogłębnie zbadać. Ponieważ gwiazdy SASS mogły kiedyś należeć do podobnych pierwotnych galaktyk karłowatych, ale znajdują się w Drodze Mlecznej, a zatem znacznie bliżej, mogą stanowić przystępny klucz do zrozumienia ewolucji ultrasłabych galaktyk karłowatych.

„Teraz możemy szukać w Drodze Mlecznej większej liczby analogów, które są znacznie jaśniejsze, i badać ich ewolucję chemiczną bez konieczności ścigania tych bardzo słabych gwiazd” – mówi Friebel.

Ona i jej koledzy właśnie to zrobili Dzisiaj opublikowali swoje ustalenia w Miesięczne powiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego (MNRAS). Współautorami badania są Muhammad Mardini z Uniwersytetu Zarqa w Jordanii; Hillary Andalis ’23; oraz obecni studenci MIT Ananda Santos i Casey Feinberg.

Granice gwiazd

Odkrycia zespołu wynikały z koncepcji zajęć lekcyjnych. W semestrze jesiennym 2022 r. Frebel uruchomi nowy kurs o nazwie 8.S30 (Observational Stellar Archaeology), podczas którego uczniowie poznali starożytne techniki analizy gwiazd, a następnie zastosowali te narzędzia do gwiazd, których nigdy wcześniej nie badano, w celu ustalenia ich pochodzenia.

„Chociaż większość naszych zajęć jest prowadzona od podstaw, te zajęcia od razu stawiają nas na czele badań w dziedzinie astrofizyki” – mówi Andalis.

Studenci pracowali z danymi dotyczącymi gwiazd, które Friebel zbierał przez lata za pomocą 6,5-metrowego Teleskopu Magellana-Claya w Obserwatorium Las Campanas. Trzyma papierowe kopie danych w dużym pliku w swoim biurze, który studenci przeczesują w poszukiwaniu interesujących gwiazd.

W szczególności szukali starożytnych gwiazd, które powstały wkrótce po Wielkim Wybuchu, który miał miejsce 13,8 miliarda lat temu. W tamtym czasie Wszechświat składał się głównie z wodoru i helu oraz z bardzo niewielkiej ilości innych pierwiastków chemicznych, takich jak stront i bar. Dlatego studenci przeszukali dokumentację Friebela w poszukiwaniu gwiazd z widmami, czyli pomiarami światła gwiazd, które wskazywałyby na niską zawartość strontu i baru.

Zawęzili poszukiwania do trzech gwiazd, które pierwotnie obserwowano za pomocą teleskopu Magellana w latach 2013–2014. Astronomowie nigdy nie śledzili tych gwiazd specjalnie po to, aby zinterpretować ich widma i wydedukować ich pochodzenie. Byli zatem idealnymi kandydatami na uczniów z klasy Friebela.

Studenci nauczyli się charakteryzować gwiazdę, aby przygotować się do analizy widmowej każdej z trzech gwiazd. Udało im się określić skład chemiczny każdego z nich, korzystając z różnych modeli gwiazd. Intensywność danej cechy w widmie gwiazdowym, odpowiadająca danej długości fali światła, odpowiada danej obfitości danego pierwiastka.

Po zakończeniu analizy uczniowie mogli śmiało stwierdzić, że te trzy gwiazdy zawierają bardzo małe ilości strontu, baru i innych pierwiastków, takich jak żelazo, w porównaniu z ich gwiazdą odniesienia – naszym Słońcem. W rzeczywistości pojedyncza gwiazda zawiera mniej niż 1/10 000 ilości żelaza w helu niż dzisiejsze Słońce.

„Zajęło nam wiele godzin wpatrywania się w komputer, dużo debugowania oraz gorączkowego wysyłania SMS-ów i e-maili, zanim to rozpracowaliśmy” – wspomina Santos. „To była wielka lekcja i wyjątkowe doświadczenie”.

„”””””””””””””””””””””””””””””””

Niska zawartość substancji chemicznych w gwiazdach wskazuje, że powstały one pierwotnie 12–13 miliardów lat temu. W rzeczywistości jej niska sygnatura chemiczna była podobna do tej, którą astronomowie zmierzyli wcześniej dla niektórych starożytnych, bardzo słabych galaktyk karłowatych. Czy gwiazdy zespołu powstały w podobnych galaktykach? Jak dotarli do Drogi Mlecznej?

Opierając się na swoim przeczuciu, naukowcy zbadali wzorce orbit gwiazd i sposób, w jaki poruszają się one po niebie. Te trzy gwiazdy znajdują się w różnych miejscach halo Drogi Mlecznej, a ich odległość od Ziemi szacuje się na około 30 000 lat świetlnych. (Dla porównania, dysk Galaktyki Drogi Mlecznej rozciąga się na 100 000 lat świetlnych.)

Kiedy śledzili ruch każdej gwiazdy wokół centrum galaktyki, korzystając z obserwacji z satelity astronomicznego Gaia, zespół zauważył coś dziwnego: w przypadku większości gwiazd dysku głównego, które poruszają się jak samochody na torze wyścigowym, wszystkie trzy gwiazdy zdawały się być takim samym. Idziesz w złą stronę. W astronomii nazywa się to „ruchem wstecznym” i wskazuje, że obiekt „akumulował się” lub był wyciągany z innego miejsca.

„Jedynym sposobem, aby zmusić gwiazdy do skierowania się w złym kierunku od reszty gangu, jest wyrzucenie ich w złym kierunku” – mówi Friebel.

Fakt, że te trzy gwiazdy krążą po orbitach w bardzo odmienny sposób od reszty dysku galaktycznego, a nawet halo, w połączeniu z faktem, że występowały w nich niewielkie ilości substancji chemicznych, stanowi mocny dowód na to, że gwiazdy te rzeczywiście były starożytne i kiedyś należały do starsze gwiazdy. Są to mniejsze galaktyki karłowate, które wpadły do ​​Drogi Mlecznej pod przypadkowymi kątami i kontynuowały swoją upartą ścieżkę miliardy lat później.

Frebela interesowało, czy ruch wsteczny był cechą innych starożytnych gwiazd w halo, które astronomowie wcześniej analizowali, więc przeszukał literaturę naukową i znalazł 65 innych gwiazd, które również zawierały niewielkie ilości strontu i baru, które również wydawały się znikać. wbrew teorii. przepływ galaktyczny.

„To interesujące, że wszystkie są bardzo szybkie; setki kilometrów na sekundę, jadąc w złym kierunku” – mówi Fripple. „Uciekają! Nie wiemy, dlaczego tak się stało, ale był to element układanki, którego potrzebowaliśmy, a którego nie spodziewaliśmy się, kiedy zaczynaliśmy”.

Zespół pragnie szukać innych starożytnych gwiazd SASS i ma teraz na to stosunkowo prosty przepis: najpierw szukaj gwiazd o niskiej zawartości substancji chemicznych, a następnie prześledź ich wzorce orbit pod kątem oznak ruchu wstecznego. Oczekują, że spośród ponad 400 miliardów gwiazd Drogi Mlecznej dzięki tej metodzie powstanie niewielka, ale znacząca liczba najstarszych gwiazd Wszechświata.

Fripple planuje wznowienie zajęć tej jesieni i z podziwem i wdzięcznością wspomina pierwszy kurs oraz trzech uczniów, którzy opublikowali swoje wyniki.

„Wspaniale było pracować z trzema studentkami. To dla mnie pierwszy raz” – mówi. „To naprawdę przykład stylu MIT. My robimy. Ktokolwiek powie: chcę uczestniczyć, może to zrobić i wydarzy się coś dobrego.

Badania te były częściowo wspierane przez National Science Foundation.