De Melkweg is omgeven door tientallen dwergstelsels waarvan wordt gedacht dat het overblijfselen zijn van de allereerste sterrenstelsels in het universum. Een van de meest primitieve van deze galactische fossielen is Tucana II - een ultrazwak dwergstelsel van ongeveer 50 kiloparsec, of 163, 000 lichtjaren, van aarde.

Nu hebben astrofysici van het MIT sterren ontdekt aan de rand van Tucana II, in een configuratie die verrassend ver van zijn centrum verwijderd is, maar toch gevangen zit in de aantrekkingskracht van het kleine sterrenstelsel. Dit is het eerste bewijs dat Tucana II een uitgebreide halo van donkere materie herbergt - een gebied van door zwaartekracht gebonden materie waarvan de onderzoekers berekenden dat het drie tot vijf keer massiever was dan wetenschappers hadden geschat. Deze ontdekking van verafgelegen sterren in een oud dwergstelsel impliceert dat de allereerste sterrenstelsels in het universum waarschijnlijk ook uitgebreid en massiever waren dan eerder werd gedacht.

"Tucana II heeft veel meer massa dan we dachten, om deze sterren die zo ver weg zijn te binden, ", zegt MIT-afgestudeerde student Anirudh Chiti. "Dit betekent dat andere relikwie-eerste sterrenstelsels waarschijnlijk ook dit soort verlengde halo's hebben."

De onderzoekers stelden ook vast dat de sterren aan de rand van Tucana II primitiever zijn dan de sterren in de kern van de melkweg. Dit is het eerste bewijs van een dergelijke stellaire onbalans in een ultrazwak dwergstelsel.

De unieke configuratie suggereert dat het oude sterrenstelsel mogelijk het product was van een van de eerste fusies in het universum, tussen twee jonge sterrenstelsels - de ene iets minder primitief dan de andere.

"Misschien zien we de eerste tekenen van galactisch kannibalisme, " zegt Anna Frebel, de Silverman Family Career Development Associate Professor of Physics aan het MIT. "Eén sterrenstelsel heeft misschien een van zijn iets kleinere, meer primitieve buren, dat vervolgens al zijn sterren in de buitenwijken heeft gemorst."

Frebel, Chiti, en hun collega's hebben hun resultaten vandaag gepubliceerd in Natuurastronomie .

Niet zo slappe sterrenstelsels

Tucana II is een van de meest primitieve dwergstelsels die we kennen, gebaseerd op het metaalgehalte van zijn sterren. Sterren met een laag metaalgehalte zijn waarschijnlijk al heel vroeg gevormd, toen het universum nog geen zware elementen produceerde. In het geval van Tucana II, astronomen hadden eerder een handvol sterren rond de kern van de melkweg geïdentificeerd met zo'n laag metaalgehalte dat de melkweg werd beschouwd als de chemisch meest primitieve van de bekende ultradunne dwergstelsels.

Chiti en Frebel vroegen zich af of het oude sterrenstelsel misschien andere, zelfs oudere sterren, die licht zouden kunnen werpen op de vorming van de eerste sterrenstelsels van het heelal. Om dit idee te testen, ze verkregen waarnemingen van Tucana II via de SkyMapper Telescope, een optische telescoop op de grond in Australië die een weids uitzicht biedt op de zuidelijke hemel.

Het team gebruikte een beeldfilter op de telescoop om primitieve, metaalarme sterren buiten de kern van de melkweg. Het team voerde een algoritme uit, ontwikkeld door Chiti, door de gefilterde gegevens om sterren met een laag metaalgehalte efficiënt te selecteren, inclusief de eerder geïdentificeerde sterren in het centrum en negen nieuwe sterren veel verder weg van de galactische kern.

"Ani's analyse toont een kinematische verbinding, dat deze verre sterren in de pas lopen met de binnenste sterren, als badwater dat door de afvoer stroomt, ’ voegt Frebel toe.

De resultaten suggereren dat Tucana II een uitgebreide halo van donkere materie moet hebben die drie tot vijf keer massiever is dan eerder werd gedacht, om ervoor te zorgen dat de zwaartekracht deze verre sterren vasthoudt. Donkere materie is een hypothetisch type materie waarvan wordt gedacht dat het meer dan 85 procent van het universum uitmaakt. Men denkt dat elk sterrenstelsel bij elkaar wordt gehouden door een lokale concentratie, of halo, van donkere materie.

"Zonder donkere materie, sterrenstelsels zouden gewoon uit elkaar vliegen, zegt Chiti. "[Donkere materie] is een cruciaal ingrediënt om een ​​sterrenstelsel te maken en bij elkaar te houden."

De resultaten van het team zijn het eerste bewijs dat een ultrazwak dwergstelsel een uitgebreide halo van donkere materie kan herbergen.

"Dit betekent waarschijnlijk ook dat de vroegste sterrenstelsels zich vormden in veel grotere halo's van donkere materie dan eerder werd gedacht, " zegt Frebel. "We hebben gedacht dat de eerste sterrenstelsels de kleinste waren, meest slappe sterrenstelsels. Maar ze waren misschien meerdere keren groter dan we dachten, en toch niet zo klein."

"Een kannibalistische geschiedenis"

Chiti en Frebel volgden hun eerste resultaten op met waarnemingen van Tucana II, gemaakt door de Magellan Telescopes in Chili. Met Magellaan, het team concentreerde zich op de metaalarme sterren van de melkweg om hun relatieve metalliciteiten af ​​te leiden, en ontdekte dat de buitenste sterren drie keer zo metaalarm waren, en daarom primitiever, dan die in het centrum.

"Dit is de eerste keer dat we iets hebben gezien dat lijkt op een chemisch verschil tussen de binnenste en buitenste sterren in een oud sterrenstelsel, ' zegt Chiti.

Een waarschijnlijke verklaring voor de onbalans kan een vroege galactische fusie zijn, waarin een klein sterrenstelsel - mogelijk een van de eerste generatie sterrenstelsels die zich in het universum heeft gevormd - een ander nabijgelegen sterrenstelsel heeft ingeslikt. Dit galactische kannibalisme komt tegenwoordig voortdurend voor in het hele universum, maar het was onduidelijk of vroege sterrenstelsels op een vergelijkbare manier samensmolten.

"Tucana II zal uiteindelijk worden opgegeten door de Melkweg, geen genade, "Zegt Frebel. "En het blijkt dat dit oude sterrenstelsel zijn eigen kannibalistische geschiedenis heeft."

Het team is van plan hun benadering te gebruiken om andere ultrazwakke dwergsterrenstelsels rond de Melkweg te observeren, in de hoop nog oudere te ontdekken, verder weg liggende sterren.

"Er zijn waarschijnlijk nog veel meer systemen, misschien allemaal, die deze sterren laten knipperen in hun buitenwijken, ' zegt Frebel.