Naukowcy z MIT, w tym kilkoro studentów studiów licencjackich, odkryli trzy najstarsze gwiazdy we Wszechświecie, które żyją w naszym galaktycznym sąsiedztwie.
Zespół dostrzegł gwiazdy w halo Drogi Mlecznej – obłoku gwiazd, który otacza cały główny dysk galaktyczny. Z analizy zespołu wynika, że trzy gwiazdy powstały między 12 a 13 miliardów lat temu, kiedy kształtowały się pierwsze galaktyki.
Naukowcy nazwali te gwiazdy „SASS”, czyli Small Accreted Stellar System stars, ponieważ uważają, że każda z nich należała kiedyś do własnej małej, prymitywnej galaktyki, która została później wchłonięta przez większą, ale wciąż rosnącą Drogę Mleczną. Obecnie te trzy gwiazdy są wszystkim, co pozostało z ich galaktyk. Krążą one na obrzeżach Drogi Mlecznej, gdzie, jak podejrzewa zespół, może istnieć więcej takich starożytnych gwiazd.
Te najstarsze gwiazdy zdecydowanie powinny tam być, biorąc pod uwagę to, co wiemy o formowaniu się galaktyk – powiedziała profesor fizyki MIT Anna Ferbel. Są one częścią naszego kosmicznego drzewa genealogicznego. A teraz mamy nowy sposób na ich znalezienie.
Po odkryciu podobnych gwiazd SASS naukowcy widzą w nich szansę na zbadanie skrajnie słabych galaktyk karłowatych, uważanych za jedne z pierwszych, które przetrwały we Wszechświecie. Te odległe i słabe galaktyki są trudne do obserwacji, ale gwiazdy SASS, które kiedyś mogły być częścią podobnych galaktyk karłowatych, znajdują się w Drodze Mlecznej i są znacznie bliżej. Dzięki temu mogą stać się cennym narzędziem do zrozumienia ewolucji skrajnie słabych galaktyk karłowatych.
Teraz możemy szukać więcej odpowiedników w Drodze Mlecznej, które są znacznie jaśniejsze, i badać ich ewolucję chemiczną bez konieczności ścigania tych niezwykle słabych gwiazd – powiedziała Ferbel.
Ona i jej koledzy opublikowali swoje odkrycia w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS).
Granica gwiazd
Odkrycia zespołu wyrosły z koncepcji zajęć lekcyjnych. W semestrze jesiennym 2022 roku Ferbel uruchomiła nowy kurs, 8S30 (Obserwacyjna archeologia gwiazd), w ramach którego studenci uczyli się technik analizy starożytnych gwiazd, a następnie stosowali te narzędzia do gwiazd, które nigdy wcześniej nie były badane, aby określić ich pochodzenie.
Podczas gdy większość naszych zajęć jest prowadzona od podstaw, ta klasa natychmiast umieściła nas na granicy badań w astrofizyce – powiedziała Hillary Andales, studentka MIT.
Uczniowie pracowali na podstawie danych gwiazdowych, które Ferbel zbierała przez lata z 6,5-metrowego teleskopu Magellan-Clay w Obserwatorium Las Campanas. Ferbel przechowuje papierowe kopie danych w dużym segregatorze w swoim biurze, który uczniowie przeczesywali w poszukiwaniu interesujących gwiazd.
W szczególności poszukiwali starożytnych gwiazd powstałych wkrótce po Wielkim Wybuchu, który miał miejsce 13,8 miliarda lat temu. W tym czasie Wszechświat składał się głównie z wodoru i helu oraz bardzo niskiej zawartości innych pierwiastków chemicznych, takich jak stront https://pl.wikipedia.org/wiki/Stront i bar. Studenci przejrzeli więc segregatory Ferbel w poszukiwaniu gwiazd z widmami, które wskazywały na niską zawartość strontu i baru.
Ich poszukiwania zawęziły się do trzech gwiazd, które zostały pierwotnie zaobserwowane przez teleskop Magellana w latach 2013-2014. Astronomowie nigdy nie zajęli się tymi konkretnymi gwiazdami, aby zinterpretować ich widma i wydedukować ich pochodzenie. Były one zatem idealnymi kandydatami dla studentów z klasy Ferbel.
Aby przygotować się do analizy widm trzech gwiazd, studenci poznali metody charakteryzowania gwiazd. Dzięki różnym modelom gwiazdowym mogli określić skład chemiczny każdej z nich. Intensywność konkretnej cechy w widmie gwiazdy, odpowiadająca określonej długości fali światła, wskazuje na określoną obfitość danego pierwiastka.
Po zakończeniu analizy studenci byli w stanie z całą pewnością stwierdzić, że trzy gwiazdy miały bardzo niską zawartość strontu, baru i innych pierwiastków, takich jak żelazo, w porównaniu do ich gwiazdy referencyjnej – naszego Słońca. W rzeczywistości jedna z gwiazd zawierała mniej niż 1/10 000 ilości żelaza do helu w porównaniu do dzisiejszego Słońca.
„W biegu”
Niska obfitość chemiczna gwiazd wskazywała na to, że powstały one 12-13 miliardów lat temu. W rzeczywistości, ich niska zawartość chemiczna była podobna do tej, którą astronomowie zmierzyli dużo wcześniej dla niektórych starożytnych, bardzo słabych galaktyk karłowatych. Czy gwiazdy, które badał zespół powstały w podobnych galaktykach? I jak znalazły się w Drodze Mlecznej?
Na podstawie przeczucia naukowcy sprawdzili wzorce orbit gwiazd i sposób, w jaki poruszają się po niebie. Te trzy gwiazdy znajdują się w różnych miejscach w halo Drogi Mlecznej i szacuje się, że znajdują się około 30 000 lat świetlnych od Ziemi. (Dla porównania, dysk Drogi Mlecznej rozciąga się na 100 000 lat świetlnych).
Gdy prześledzili ruch każdej z gwiazd wokół centrum Galaktyki przy użyciu obserwacji z satelity Gaia, zespół zauważył ciekawą rzecz: w porównaniu do większości gwiazd w dysku głównym, które poruszają się jak samochody na torze wyścigowym, wszystkie te trzy gwiazdy zdawały się podążać w złym kierunku. W astronomii jest to znane jako „ruch wsteczny” i jest wskazówką, że obiekt został kiedyś przyciągnięty z innego miejsca.
Fakt, że trzy gwiazdy krążyły w zupełnie inny sposób niż reszta dysku galaktycznego, a nawet halo, w połączeniu z faktem, że miały niską zawartość związków chemicznych, stanowił mocny argument przemawiający za tym, że gwiazdy te były rzeczywiście starożytne i kiedyś należały do starszych, mniejszych galaktyk karłowatych, które wpadły w Drogę Mleczną pod przypadkowymi kątami i kontynuowały swoją upartą trajektorię miliardy lat później.
Ferbel zaciekawiona tym, czy ruch wsteczny był cechą innych starożytnych gwiazd w halo, które astronomowie wcześniej analizowali, przejrzała literaturę naukową i znalazła 65 innych gwiazd, również o niskiej zawartości strontu i baru, które również wydawały się podążać pod prąd galaktyczny.
Zespół jest chętny do poszukiwania innych starożytnych gwiazd SASS, a teraz mają na to stosunkowo prosty przepis: po pierwsze, należy szukać gwiazd o niskiej obfitości chemicznej, a następnie śledzić ich orbity pod kątem oznak ruchu wstecznego. Naukowcy przewidują, że spośród ponad 400 miliardów gwiazd w Drodze Mlecznej metoda ta odkryje niewielką, ale znaczącą liczbę najstarszych gwiazd Wszechświata.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
MIT