Tre stjerner, der kredser om Mælkevejene, blev dannet for 12 til 13 milliarder år siden

MIT-forskere, inklusive flere bachelorstuderende, har opdaget tre af de ældste stjerner i universet, og de bor tilfældigvis i vores eget galaktiske kvarter.

Holdet opdagede stjernerne i Mælkevejens "halo" - skyen af ​​stjerner, der omslutter hele den galaktiske hovedskive. Baseret på holdets analyse blev de tre stjerner dannet for mellem 12 og 13 milliarder år siden, det tidspunkt, hvor de allerførste galakser var ved at tage form.

Forskerne har opfundet stjernerne "SASS" for små sammenvoksede stjerner i stjernesystemet, da de mener, at hver stjerne engang tilhørte sin egen lille primitive galakse, der senere blev absorberet af den større, men stadig voksende Mælkevej. I dag er de tre stjerner alle, der er tilbage af deres respektive galakser. De kredser om udkanten af ​​Mælkevejen, hvor holdet har mistanke om, at der kan være flere sådanne gamle stjerneoverlevende.

"Disse ældste stjerner burde helt sikkert være der, givet hvad vi ved om galaksedannelse," siger MIT-professor i fysik Anna Frebel. "De er en del af vores kosmiske stamtræ. Og vi har nu en ny måde at finde dem på."

Da de afslører lignende SASS-stjerner, håber forskerne at bruge dem som analoger af ultrasvage dværggalakser, som menes at være nogle af universets overlevende første galakser. Sådanne galakser er stadig intakte i dag, men er for fjerne og svage til, at astronomer kan studere dem i dybden.

Da SASS-stjerner måske engang har tilhørt lignende primitive dværggalakser, men er i Mælkevejen og som sådan meget tættere på, kunne de være en tilgængelig nøgle til at forstå udviklingen af ​​ultrasvage dværggalakser.

"Nu kan vi lede efter flere analoger i Mælkevejen, som er meget lysere, og studere deres kemiske udvikling uden at skulle jagte disse ekstremt svage stjerner," siger Frebel.

Hun og hendes kolleger har offentliggjort deres resultater i dag (14. maj) i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . Studiets medforfattere er Mohammad Mardini, ved Zarqa University, i Jordan; Hillary Andales '23; og nuværende MIT-studerende Ananda Santos og Casey Fienberg.

Stjernegrænse

Holdets opdagelser voksede ud af et klasseværelseskoncept. I løbet af efterårssemesteret 2022 lancerede Frebel et nyt kursus, 8.S30 (Observational Stellar Archaeology), hvor eleverne lærte teknikker til at analysere gamle stjerner og derefter anvendte disse værktøjer på stjerner, der aldrig var blevet undersøgt før, for at bestemme deres oprindelse.

"Mens de fleste af vores klasser bliver undervist fra bunden, sætter denne klasse os straks i front for forskning i astrofysik," siger Andales.

Eleverne arbejdede ud fra stjernedata indsamlet af Frebel gennem årene fra det 6,5 meter store Magellan-Clay-teleskop ved Las Campanas-observatoriet. Hun opbevarer papirkopier af dataene i et stort ringbind på sit kontor, som eleverne finkæmmede for at lede efter stjerner af interesse.

De ledte især efter gamle stjerner, der blev dannet kort efter Big Bang, som fandt sted for 13,8 milliarder år siden. På dette tidspunkt var universet for det meste lavet af brint og helium og meget lave mængder af andre kemiske grundstoffer, såsom strontium og barium. Så eleverne kiggede gennem Frebels bindemiddel efter stjerner med spektre, eller målinger af stjernelys, der indikerede lave mængder af strontium og barium.

Deres søgning indsnævrede tre stjerner, som oprindeligt blev observeret af Magellan-teleskopet mellem 2013 og 2014. Astronomer fulgte aldrig op på disse særlige stjerner for at fortolke deres spektre og udlede deres oprindelse. De var altså perfekte kandidater til eleverne i Frebels klasse.

Eleverne lærte at karakterisere en stjerne for at forberede sig til analysen af ​​spektrene for hver af de tre stjerner. De var i stand til at bestemme den kemiske sammensætning af hver enkelt med forskellige stjernemodeller. Intensiteten af ​​et bestemt træk i stjernespektret, svarende til en specifik bølgelængde af lys, svarer til en bestemt overflod af et bestemt element.

Efter at have afsluttet deres analyse kunne eleverne med sikkerhed konkludere, at de tre stjerner havde meget lave mængder af strontium, barium og andre grundstoffer såsom jern sammenlignet med deres referencestjerne - vores egen sol. Faktisk indeholdt en stjerne mindre end 1/10.000 mængden af ​​jern i forhold til helium sammenlignet med solen i dag.

"Det tog mange timer at stirre på en computer og en masse fejlfinding, febrilsk sms og e-mail til hinanden for at finde ud af dette," husker Santos. "Det var en stor læringskurve og en særlig oplevelse."

'På flugt'

Stjernernes lave kemiske overflod antydede, at de oprindeligt blev dannet for 12 til 13 milliarder år siden. Faktisk svarede deres lave kemiske signaturer til, hvad astronomer tidligere havde målt for nogle gamle, ultrasvage dværggalakser. Opstod holdets stjerner i lignende galakser? Og hvordan kom de til at være i Mælkevejen?

På en anelse tjekkede forskerne stjernernes kredsløbsmønstre, og hvordan de bevæger sig hen over himlen. De tre stjerner er på forskellige steder i hele Mælkevejens glorie og anslås at være omkring 30.000 lysår fra Jorden. (Til reference strækker Mælkevejens skive sig 100.000 lysår på tværs.)

Da de fulgte hver stjernes bevægelse om det galaktiske centrum ved hjælp af observationer fra Gaia astrometriske satellit, lagde holdet mærke til en mærkelig ting:I forhold til de fleste stjerner på hovedskiven, der bevæger sig som biler på en racerbane, så alle tre stjerner ud til at være går den forkerte vej. Inden for astronomi er dette kendt som "retrograd bevægelse" og er et tip om, at et objekt engang blev "akkreteret" eller trukket ind fra andre steder.

"Den eneste måde, hvorpå du kan få stjerner til at gå den forkerte vej fra resten af ​​banden, er, hvis du smed dem på den forkerte måde," siger Frebel.

Den kendsgerning, at disse tre stjerner kredsede på helt forskellige måder end resten af ​​den galaktiske skive og endda glorie, kombineret med det faktum, at de havde lav kemisk forekomst, gav et stærkt argument for, at stjernerne faktisk var ældgamle og engang tilhørte ældre , mindre dværggalakser, der faldt ned i Mælkevejen i tilfældige vinkler og fortsatte deres stædige baner milliarder af år senere.

Frebel, der var nysgerrig efter, om retrograd bevægelse var et træk ved andre gamle stjerner i den glorie, som astronomer tidligere har analyseret, kiggede gennem den videnskabelige litteratur og fandt 65 andre stjerner, også med lav strontium- og barium-forekomst, som så ud til også at gå imod galaktisk strømning.

"Interessant nok er de alle ret hurtige - hundredvis af kilometer i sekundet og går den forkerte vej," siger Frebel. "De er på flugt! Vi ved ikke, hvorfor det er tilfældet, men det var den brik til puslespillet, vi havde brug for, og som jeg ikke helt havde forudset, da vi startede."

Holdet er ivrige efter at finde andre ældgamle SASS-stjerner, og de har nu en relativt simpel opskrift til at gøre det:Først skal du lede efter stjerner med lav kemisk forekomst, og derefter spore deres orbitale mønstre for tegn på retrograd bevægelse. Af de mere end 400 milliarder stjerner i Mælkevejen forventer de, at metoden vil vise et lille, men betydeligt antal af universets ældste stjerner.

Frebel planlægger at relancere klassen til efteråret og ser tilbage på det første kursus, og de tre studerende, der tog deres resultater igennem til offentliggørelse, med beundring og taknemmelighed.

"Det har været fantastisk at arbejde med tre kvindelige studerende. Det er det første for mig," siger hun. "Det er virkelig et eksempel på MIT-måden. Det gør vi. Og den, der siger:'Jeg vil deltage', de kan gøre det, og der sker gode ting."

Flere oplysninger: Hillary Diane Andales et al., De ældste stjerner med lav mængde neutronfangende elementer og oprindelse i gamle dværggalakser, Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society (2024). DOI:10.1093/mnras/stae670

Journaloplysninger: Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society

Leveret af Massachusetts Institute of Technology

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.