Вчені виявили найстаріші зірки у Всесвіті

Астрономи виявили три стародавні зірки, що оточують ореол Чумацького Шляху, який утворився 12-13 мільярдів років тому. Дослідники Массачусетського технологічного інституту виявили три найдавніші зірки у Всесвіті, і випадково вони живуть у наших галактичних сусідах.

Команда, включно з кількома студентами, помітила зірки в «ореолі» Чумацького Шляху — хмарі зірок, яка огортає весь головний галактичний диск. Виходячи з аналізу команди, три зірки сформувалися між 12 і 13 мільярдами років тому, коли формувалися найперші галактики.

Дослідники придумали зірки «SASS» для зірок Малої аккреційної зоряної системи, оскільки вони вважають, що кожна зірка колись належала до своєї маленької примітивної галактики, яка пізніше була поглинена більшим, але все ще зростаючим Чумацьким Шляхом. Сьогодні три зірки — це все, що залишилося від відповідних галактик. Вони кружляють на околицях Чумацького Шляху, де команда підозрює, що може бути більше таких стародавніх зірок, що вижили.

Новий метод дослідження стародавніх зірок

«Ці найстаріші зірки точно повинні бути там, враховуючи те, що ми знаємо про формування галактик», — каже професор фізики Массачусетського технологічного інституту Анна Фребель. «Вони є частиною нашого космічного генеалогічного дерева. І тепер у нас є новий спосіб їх знайти».

Виявляючи подібні зірки SASS, дослідники сподіваються використовувати їх як аналоги ультраслабких карликових галактик, які, як вважають, є одними з перших галактик Всесвіту, що збереглися. Такі галактики залишаються недоторканими й сьогодні, але надто далекі й тьмяні, щоб астрономи могли їх глибоко вивчати. Оскільки зірки SASS, можливо, колись належали до таких же примітивних карликових галактик, але знаходяться в Чумацькому Шляху і тому набагато ближче, вони можуть бути доступним ключем до розуміння еволюції ультраслабких карликових галактик.

«Тепер ми можемо шукати більше аналогів у Чумацькому Шляху, які набагато яскравіші, і вивчати їхню хімічну еволюцію, не переслідуючи ці надзвичайно тьмяні зірки», — каже Фребель.

Вона та її колеги опублікували свої висновки 14 травня в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS). Співавторами дослідження є Мохаммад Мардіні з університету Зарка, Йорданія; Гілларі Андалес ’23; і нинішні студенти MIT Ананда Сантос і Кейсі Фіенберг.

Концепція класної кімнати веде до великих відкриттів

Відкриття команди виросли з концепції класу. Протягом осіннього семестру 2022 року Фребель запустив новий курс 8.S30 (Обсерваційна зоряна археологія), у якому студенти вивчали методи аналізу стародавніх зірок, а потім застосовували ці інструменти до зірок, які раніше не вивчалися, щоб визначити їхнє походження.

«Хоча більшість наших уроків викладаються з нуля, цей курс одразу поставив нас на передовий рубіж досліджень астрофізики», — каже Андалес.

Студенти працювали на основі даних зірок, зібраних Фребелем протягом багатьох років з 6,5-метрового телескопа Магеллана-Клея в обсерваторії Лас-Кампанас. Вона зберігає друковані копії даних у великій папці у своєму офісі, яку студенти прочесали, щоб знайти зірок, які цікавлять.

Зокрема, вони шукали стародавні зірки, які утворилися незабаром після Великого вибуху , який стався 13,8 мільярда років тому. У той час Всесвіт складався здебільшого з водню та гелію та дуже мало вмісту інших хімічних елементів, таких як стронцій та барій. Отже, студенти переглянули зв’язувач Фребеля, щоб знайти зірки зі спектрами або вимірюваннями зіркового світла, які вказували на низький вміст стронцію та барію.

Аналіз стародавніх зірок

Їхні пошуки звузилися до трьох зірок, які спостерігалися за допомогою телескопа Magellan між 2013 і 2014 роками. Астрономи ніколи не досліджували ці зірки, щоб інтерпретувати їхні спектри та визначити їх походження. Тоді вони були ідеальними кандидатами для студентів у класі Фребеля.

Студенти навчилися характеризувати зірку, щоб підготуватися до аналізу спектрів кожної з трьох зірок. Вони змогли визначити хімічний склад кожного з них за допомогою різних моделей зірок. Інтенсивність певної характеристики в зоряному спектрі, що відповідає певній довжині хвилі світла, відповідає певній кількості певного елемента.

Завершивши аналіз, студенти змогли з упевненістю зробити висновок, що ці три зірки дійсно містять дуже низький вміст стронцію, барію та інших елементів, таких як залізо, порівняно з їхньою еталонною зіркою — нашим власним сонцем. Фактично, одна зірка містила менше ніж 1/10 000 кількості заліза в гелій порівняно з сучасним сонцем.

«Потрібно було багато годин, дивлячись на комп’ютер, і багато налагодження, несамовитого надсилання текстових повідомлень і електронних листів один одному, щоб зрозуміти це», — згадує Сантос. «Це був великий період навчання та особливий досвід».

«На ходу»

Низький вміст хімічних речовин у зірок дійсно вказував на те, що вони спочатку утворилися 12-13 мільярдів років тому. Насправді їхні низькі хімічні ознаки були подібні до тих, які астрономи раніше вимірювали для деяких стародавніх ультраслабких карликових галактик. Чи зірки команди виникли в подібних галактиках? І як вони опинилися в Чумацькому Шляху?

За припущенням вчені перевірили орбітальні схеми зірок і те, як вони рухаються по небу. Три зірки знаходяться в різних місцях гало Чумацького Шляху і, за оцінками, знаходяться приблизно в 30 000 світлових років від Землі. (Для довідки, диск Чумацького Шляху охоплює 100 000 світлових років у поперечнику.)

Коли вони відстежували рух кожної зірки навколо галактичного центру за допомогою спостережень з астрометричного супутника Gaia, команда помітила цікаву річ: відносно більшості зірок у головному диску, які рухаються, як автомобілі на іподромі, усі три зірки здавалися йдучи неправильним шляхом. В астрономії це відоме як «ретроградний рух» і є підказкою про те, що об’єкт колись був «нарощений» або притягнутий з іншого боку.

«Єдиний спосіб зробити так, щоб зірки пішли не в ту сторону від решти банди, це якщо ви кинули їх не в ту сторону», — каже Фребель.

Майбутні перспективи та дослідження

Той факт, що ці три зірки оберталися зовсім інакше, ніж інша частина галактичного диска і навіть гало, у поєднанні з тим фактом, що вони мали низький вміст хімічних речовин, підтверджував те, що зірки справді були стародавніми і колись належали до більш давніх. , менші карликові галактики, які впали в Чумацький Шлях під випадковими кутами і продовжили свої вперті траєкторії через мільярди років.

Фребель, зацікавлений у тому, чи був ретроградний рух властивістю інших стародавніх зірок в гало, які астрономи раніше аналізували, переглянув наукову літературу та знайшов 65 інших зірок, також із низьким вмістом стронцію та барію, які, здавалося, також суперечать галактичний потік.

«Цікаво, що всі вони досить швидкі — сотні кілометрів на секунду, рухаючись у неправильному напрямку», — каже Фребель. «Вони тікають! Ми не знаємо, чому це так, але це був шматочок головоломки, який нам був потрібний, і якого я не зовсім очікував, коли ми починали».

Команда прагне шукати інші стародавні зірки SASS, і тепер у них є відносно простий рецепт для цього: спочатку шукайте зірки з низьким вмістом хімічних речовин, а потім відстежуйте їхні орбітальні моделі на предмет ознак ретроградного руху. З більш ніж 400 мільярдів зірок у Чумацькому Шляху, вони очікують, що метод виявить невелику, але значну кількість найстаріших зірок Всесвіту.

Фребель планує відновити курс цієї осені, і з захопленням і вдячністю оглядається на той перший курс і трьох студентів, які додали свої результати до публікації.

«Було чудово працювати з трьома студентками. Для мене це вперше», — каже вона. «Це справді приклад шляху Массачусетського технологічного інституту. Ми робимо. І хто скаже: «Я хочу брати участь», він може це зробити, і відбуваються хороші речі».