Wetenschap
Drie sterren die rond de halo van de Melkweg cirkelen, werden 12 tot 13 miljard jaar geleden gevormd
MIT-onderzoekers, waaronder een aantal niet-gegradueerde studenten, hebben drie van de oudste sterren in het universum ontdekt, en die leven toevallig in onze eigen galactische buurt.
Het team ontdekte de sterren in de 'halo' van de Melkweg, de wolk van sterren die de hele hoofdschijf van de Melkweg omhult. Op basis van de analyse van het team ontstonden de drie sterren tussen 12 en 13 miljard jaar geleden, de tijd waarin de allereerste sterrenstelsels vorm kregen.
De onderzoekers hebben de sterren "SASS" bedacht, voor kleine sterren uit het sterrenstelsel, omdat ze geloven dat elke ster ooit toebehoorde aan zijn eigen kleine, primitieve sterrenstelsel dat later werd geabsorbeerd door de grotere maar nog steeds groeiende Melkweg. Tegenwoordig zijn de drie sterren het enige dat nog over is van hun respectievelijke sterrenstelsels. Ze cirkelen rond de buitenwijken van de Melkweg, waar het team vermoedt dat er mogelijk nog meer van zulke oude stellaire overlevenden zijn.
‘Deze oudste sterren zouden er zeker moeten zijn, gegeven wat we weten over de vorming van sterrenstelsels’, zegt Anna Frebel, hoogleraar natuurkunde aan het MIT. "Ze maken deel uit van onze kosmische stamboom. En we hebben nu een nieuwe manier om ze te vinden."
Terwijl ze vergelijkbare SASS-sterren ontdekken, hopen de onderzoekers ze te gebruiken als analogen van ultrazwakke dwergstelsels, waarvan wordt aangenomen dat ze enkele van de overgebleven eerste sterrenstelsels in het universum zijn. Dergelijke sterrenstelsels zijn vandaag de dag nog steeds intact, maar zijn te ver weg en te zwak voor astronomen om diepgaand te bestuderen.
Omdat SASS-sterren ooit tot soortgelijke primitieve dwergstelsels hebben kunnen behoren, maar zich in de Melkweg bevinden en daardoor veel dichterbij zijn, kunnen ze een toegankelijke sleutel zijn tot het begrijpen van de evolutie van ultrazwakke dwergstelsels.
‘Nu kunnen we zoeken naar meer analogen in de Melkweg, die veel helderder zijn, en hun chemische evolutie bestuderen zonder deze extreem zwakke sterren te hoeven achtervolgen,’ zegt Frebel.
Zij en haar collega's hebben hun bevindingen vandaag (14 mei) gepubliceerd in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . De co-auteurs van de studie zijn Mohammad Mardini, aan de Zarqa Universiteit in Jordanië; Hillary Andales '23; en huidige MIT-studenten Ananda Santos en Casey Fienberg.
Stellaire grens
De ontdekkingen van het team kwamen voort uit een klaslokaalconcept. Tijdens het herfstsemester van 2022 lanceerde Frebel een nieuwe cursus, 8.S30 (Observational Stellar Archaeology), waarin studenten technieken leerden voor het analyseren van oude sterren en die hulpmiddelen vervolgens toepasten op sterren die nog nooit eerder waren bestudeerd, om hun oorsprong te bepalen.
"Hoewel de meeste van onze lessen vanaf de basis worden gegeven, plaatste deze les ons onmiddellijk op de grens van het onderzoek in de astrofysica", zegt Andales.
De studenten werkten op basis van stergegevens die Frebel in de loop der jaren had verzameld met de 6,5 meter lange Magellan-Clay-telescoop van het Las Campanas Observatorium. Ze bewaart papieren kopieën van de gegevens in een grote map in haar kantoor, waar de studenten doorheen kamden om te zoeken naar interessante sterren.
In het bijzonder zochten ze naar oude sterren die kort na de oerknal, die 13,8 miljard jaar geleden plaatsvond, ontstonden. Op dat moment bestond het universum voornamelijk uit waterstof en helium en zeer lage hoeveelheden andere chemische elementen, zoals strontium en barium. Daarom keken de studenten door de map van Frebel naar sterren met spectra, of metingen van sterlicht, die wijzen op lage hoeveelheden strontium en barium.
Hun zoektocht beperkte zich tot drie sterren die oorspronkelijk tussen 2013 en 2014 door de Magellan-telescoop werden waargenomen. Astronomen hebben deze specifieke sterren nooit gevolgd om hun spectra te interpreteren en hun oorsprong af te leiden. Ze waren dus perfecte kandidaten voor de leerlingen in Frebels klas.
De leerlingen leerden hoe ze een ster moesten karakteriseren, ter voorbereiding op de analyse van de spectra van elk van de drie sterren. Ze waren in staat om de chemische samenstelling van elk ervan te bepalen met behulp van verschillende stellaire modellen. De intensiteit van een bepaald kenmerk in het stellaire spectrum, overeenkomend met een specifieke golflengte van licht, komt overeen met een bepaalde overvloed van een specifiek element.
Nadat ze hun analyse hadden afgerond, konden de studenten vol vertrouwen concluderen dat de drie sterren zeer lage hoeveelheden strontium, barium en andere elementen zoals ijzer bevatten, vergeleken met hun referentiester:onze eigen zon. In feite bevatte één ster minder dan 1/10.000 van de hoeveelheid ijzer ten opzichte van helium vergeleken met de huidige zon.
"Het kostte heel wat uren om naar een computer te staren, en veel debuggen, elkaar verwoed sms'en en e-mailen om dit uit te zoeken", herinnert Santos zich. "Het was een grote leercurve en een bijzondere ervaring."
'Op de vlucht'
De lage chemische aanwezigheid van de sterren duidde erop dat ze oorspronkelijk 12 tot 13 miljard jaar geleden ontstonden. In feite waren hun lage chemische kenmerken vergelijkbaar met wat astronomen eerder hadden gemeten voor enkele oude, ultrazwakke dwergstelsels. Zijn de sterren van het team afkomstig uit vergelijkbare sterrenstelsels? En hoe zijn ze in de Melkweg terechtgekomen?
Op een vermoeden controleerden de wetenschappers de baanpatronen van de sterren en hoe ze door de hemel bewegen. De drie sterren bevinden zich op verschillende locaties in de halo van de Melkweg en bevinden zich naar schatting op ongeveer 30.000 lichtjaar van de aarde. (Ter referentie:de schijf van de Melkweg meet 100.000 lichtjaar in doorsnede.)
Terwijl ze de beweging van elke ster rond het galactische centrum volgden met behulp van observaties van de astrometrische Gaia-satelliet, merkte het team iets merkwaardigs op:vergeleken met de meeste sterren in de hoofdschijf, die bewegen als auto's op een racecircuit, leken alle drie de sterren te zijn de verkeerde kant op gaan. In de astronomie staat dit bekend als 'retrograde beweging' en is een aanwijzing dat een object ooit 'aangegroeid' is, of van elders naar binnen is getrokken.
"De enige manier waarop je sterren de verkeerde kant op kunt laten gaan ten opzichte van de rest van de bende, is door ze de verkeerde kant op te gooien", zegt Frebel.
Het feit dat deze drie sterren op totaal verschillende manieren om hun baan draaiden dan de rest van de galactische schijf en zelfs de halo, gecombineerd met het feit dat ze weinig chemische stoffen bevatten, vormde een sterk bewijs dat de sterren inderdaad oud waren en ooit tot oudere sterren behoorden. , kleinere dwergstelsels die onder willekeurige hoeken in de Melkweg vielen en miljarden jaren later hun hardnekkige trajecten voortzetten.
Frebel, benieuwd of retrograde beweging een kenmerk was van andere oude sterren in de halo die astronomen eerder analyseerden, bladerde door de wetenschappelijke literatuur en vond 65 andere sterren, ook met een lage strontium- en barium-abundantie, die ook tegen de verwachtingen in leken te gaan. galactische stroom.
"Interessant genoeg zijn ze allemaal behoorlijk snel:honderden kilometers per seconde, en gaan ze de verkeerde kant op", zegt Frebel. "Ze zijn op de vlucht! We weten niet waarom dat het geval is, maar het was het stukje van de puzzel dat we nodig hadden, en dat ik niet helemaal had verwacht toen we begonnen."
Het team wil graag op zoek gaan naar andere oude SASS-sterren, en ze hebben nu een relatief eenvoudig recept om dat te doen:zoek eerst naar sterren met een lage chemische concentratie en volg vervolgens hun baanpatronen op tekenen van retrograde beweging. Van de ruim 400 miljard sterren in de Melkweg verwachten ze dat de methode een klein maar significant aantal van de oudste sterren van het universum zal opleveren.
Frebel is van plan de cursus dit najaar opnieuw te lanceren en kijkt met bewondering en dankbaarheid terug op die eerste cursus en de drie studenten die hun resultaten hebben gepubliceerd.
"Het was geweldig om met drie vrouwelijke studenten te werken. Dat is een primeur voor mij", zegt ze. "Het is echt een voorbeeld van de MIT-manier. Dat doen we ook. En wie zegt:'Ik wil meedoen', die kan dat doen, en er gebeuren goede dingen."