Ny undersøgelse viser, at et enkelt udbrud af stjernedannelse skabte Mælkevejenes centrale bule

Som de fleste spiralgalakser, Mælkevejen har en nogenlunde sfærisk samling af stjerner i centrum kaldet bulen. Hvordan bulen blev dannet har været et langvarigt mysterium, med mange undersøgelser, der tyder på, at det er bygget op over tid gennem flere udbrud af stjernedannelse.

Ny forskning viser, at størstedelen af ​​stjerner i vores galakses centrale bule blev dannet i et enkelt udbrud af stjernedannelse for mere end 10 milliarder år siden. For at nå denne konklusion, astronomer undersøgte millioner af stjerner på tværs af 200 kvadratgrader af himlen - et areal svarende til 1, 000 fuldmåner. Den resulterende rigdom af data forventes at give næring til mange flere videnskabelige undersøgelser.

Vores Mælkevejsgalakse er formet som to spejlæg limet ryg mod ryg. En central bule af stjerner sidder i midten af ​​en spredt skive af stjerner. Selvom dette er et fællestræk blandt utallige spiralgalakser, astronomer har brugt årtier på at undre sig over, hvordan og hvornår Mælkevejens centrale bule kunne være dannet. Blev stjernerne i bulen født tidligt i vores galakse historie, 10 til 12 milliarder år siden? Eller byggede bulen op over tid gennem flere episoder med stjernedannelse?

Nogle undersøgelser har fundet beviser for mindst to stjernedannende udbrud, fører til stjernepopulationer så gamle som 10 milliarder år eller så unge som 3 milliarder. Nu, en omfattende ny undersøgelse af millioner af stjerner viser i stedet, at de fleste stjerner i det centrale 1, 000 lysår af Mælkevejens hub blev dannet, da den var fyldt med indfaldende gas for mere end 10 milliarder år siden. Denne proces kunne være blevet udløst af simpel tilvækst af urmateriale, eller noget mere dramatisk som at fusionere med en anden ung galakse.

"Mange andre spiralgalakser ligner Mælkevejen og har lignende buler, så hvis vi kan forstå, hvordan Mælkevejen dannede sin bule, så har vi en god idé til, hvordan de andre galakser også gjorde det. " sagde co-principal investigator Christian Johnson fra Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland.

"Denne undersøgelse giver os et stort billede af bulen på en måde, som mange tidligere undersøgelser ikke har været i stand til at lave, " tilføjede medforfatter Caty Pilachowski fra Indiana University i Bloomington, Indiana.

Ser yngre ud end deres alder

For at nå deres konklusion, holdet studerede stjernernes kemiske sammensætning. Ligesom mange Hollywood-stjerner, stjerner i den galaktiske bule ser ud som om de har gennemgået en kosmisk Botox-behandling - de ser yngre ud, end de er. Det skyldes, at de indeholder omtrent den samme mængde tunge grundstoffer (tyngre end brint og helium) som Solen - hvad astronomer kalder metaller. Det er overraskende, fordi metaller tager tid at akkumulere. De skal være skabt af tidligere generationer af stjerner, udstødt gennem stjernevinde eller supernovaer, og derefter indlemmet i senere generationer.

Vores sol, 4,5 milliarder år gammel, er en relativ nytilkommen, så det giver mening, at det ville være fyldt med metaller. I modsætning, de fleste gamle stjerner i vores galakse mangler tunge grundstoffer. Og alligevel er bulestjerner metalberigede på trods af deres høje alder.

"Der skete noget andet i bulen. Metallerne der byggede sig meget, meget hurtigt, muligvis i de første 500 millioner år af dets eksistens, " sagde co-principal investigator Michael Rich fra University of California, Los Angeles.

Holdet brugte den målte lysstyrke af stjerner ved forskellige bølgelængder af lys, især i ultraviolet, at bestemme deres metalindhold. Stjerner, der dannes på forskellige tidspunkter, forventes i gennemsnit at have forskellige metalliciteter. I stedet, de fandt ud af, at stjerner inden for 1, 000 lysår af det galaktiske centrum viste en fordeling af metaller samlet omkring et enkelt gennemsnit. Hvis stjerner var elever og metalliciteter var amerikanske karakterer, bulge stjerner ville alle have et solidt 'C' gennemsnit, snarere end en gruppe 'A'-elever og en gruppe 'D'-elever. Dette tyder på, at disse stjerner blev dannet i en kort ildstorm af stjernefødsel.

Store billeder, big data

Holdet undersøgte en del af himlen, der dækkede mere end 200 kvadratgrader - et areal, der omtrent svarer til 1, 000 fuldmåner. De brugte Dark Energy Camera (DECam) på Victor M. Blanco 4-meter teleskopet ved Cerro Tololo Inter-American Observatory i Chile, et program fra NSF's NOIRLab. Dette bredfeltskamera er i stand til at fange 3 kvadratgrader af himlen i en enkelt eksponering.

Holdet samlede mere end 450, 000 individuelle fotografier, der gjorde det muligt for dem nøjagtigt at bestemme kemiske sammensætninger for millioner af stjerner. En delprøve på 70, 000 stjerner blev analyseret til denne undersøgelse.

"Vores undersøgelse er unik, fordi vi var i stand til at scanne et kontinuerligt udsnit af bulen ved bølgelængder af lys fra ultraviolet til synligt til nær-infrarødt. Det giver os mulighed for at få en klar forståelse af, hvad de forskellige komponenter i bulen er, og hvordan de passer sammen, " sagde Johnson.

Det væld af data indsamlet af denne undersøgelse vil give næring til yderligere videnskabelige undersøgelser. For eksempel, forskerne undersøger muligheden for at måle stjerneafstande for at lave et mere nøjagtigt 3D-kort over bulen. De planlægger også at søge sammenhænge mellem deres metallicitetsmålinger og stjernebaner. Den undersøgelse kunne lokalisere "flokke" af stjerner med lignende kredsløb, som kunne være resterne af forstyrrede dværggalakser, eller identificere tegn på tilvækst som stjerner, der kredser modsat galaksens rotation.

Er Mælkevejens bule-dannelseshistorie unik eller almindelig i galakseudviklingen? For at besvare det spørgsmål, astronomer bliver nødt til at se på galaksesamlingen i det fjerne, ungt univers — en opgave, som NASAs James Webb-rumteleskop var specielt designet til. "Med Webb, vi vil have en plads på forreste række til at se galakser som vores Mælkevej dannes, " sagde Rich.

Blanco DECam Bulge Survey er navngivet til ære for Victor og Betty Blanco. Victor Blanco var den første direktør for Cerro-Tololo Inter-American Observatory; han og Betty Blanco var også banebrydende for undersøgelsen af ​​den galaktiske bule og magellanske skyer ved hjælp af observatoriets 4-meter teleskop.

Disse resultater rapporteres i to ledsagende artikler, der er godkendt til offentliggørelse i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society .