När galaxerna åldras, några av deras grundläggande kemiska grundämnen kan också visa tecken på åldrande. Denna åldrandeprocess kan ses som att vissa atomer "lägger på lite vikt, " vilket betyder att de förändras till tyngre isotoper - atomer med ytterligare neutroner i sina kärnor.
Förvånande, nya undersökningar av Vintergatan med National Science Foundations (NSF) Green Bank Telescope (GBT) i West Virginia, hittade ingen sådan åldringstrend för grundämnet kisel, en grundläggande byggsten av stenar i hela vårt solsystem. Detta "ålderslösa" utseende kan betyda att Vintergatan är mer effektiv på att blanda innehållet än vad man tidigare trott, döljer därigenom de tydliga tecknen på kemiskt åldrande.
När massiva första generationens stjärnor i unga galaxer avslutar sina liv som våldsamma supernovor, de fyller kosmos med så kallade primära isotoper – element som syre, kol, och kisel med en balans av neutroner och protoner i sina kärnor.
"Massiva stjärnor är kittlarna där tunga grundämnen som kisel tillverkas, sa Ed Young, en forskare vid University of California i Los Angeles och författare till en studie som förekommer i Astrofysisk tidskrift . "Första generationens stjärnor gör kisel 28 - en isotop med 14 protoner och 14 neutroner i sin kärna. Över miljarder år, senare generationer av stjärnor kan skapa de tyngre kiselisotoperna 29 och 30. När dessa senare generationers stjärnor exploderar som supernovor, de tyngre isotoperna sprängs in i det interstellära mediet, subtilt förändra galaxens kemiska profil."
Astronomer kan inte direkt mäta dessa långsiktiga kemiska förändringar. Dom kan, dock, gör det näst bästa:mäta den skenbara mognaden av isotoper från utkanten av vår galax mot dess centrum.
Eftersom det finns en större koncentration av stjärnor ju närmare du kommer Vintergatans centrum, inklusive massiva stjärnor som slutar av sina liv som supernovor, astronomer förväntar sig att hitta en större andel tyngre isotoper bland elementen där.
Tidigare radioteleskopstudier av kol- och syreatomer i Vintergatan gav en indikation på att det faktiskt finns en stadig utveckling från lätta till tunga isotoper ju närmare du rör dig mot det galaktiska centrumet.
Mellanliggande interstellära moln, dock, gjorde dessa observationer svåra och resultaten var ofullständiga.
"Det fanns några lockande antydningar i tidigare studier om att kol- och syreisotopförhållandena förändrades som förväntat. Men det var svårt att redogöra för materialet i det interstellära mediet, så vi var osäkra på hur tillförlitliga dessa uppgifter var, " sa Young. "Silicon, som detekteras i molekyler av kiselmonoxid, har en spektral signatur som gör det mycket lättare att redogöra för dammet och gasen i vår galax. Vi var därför tvungna att göra färre antaganden än vad som var nödvändigt för de undersökningar som gjordes för syre och kol."
Med 100-meters GBT, astronomerna undersökte stora delar av Vintergatan, startar från området nära vår sol och rör sig sedan hela vägen mot det galaktiska centrumet. I varje region, de undersökte radiospektra som naturligt sänds ut av kiselmonoxidmolekyler. Skillnader i kiselisotoperna skulle ses som subtila förändringar i radiospektra.
Mot deras förväntningar, forskarna fann ingen av de förväntade gradienterna i isotopförhållandena.
"Det fanns inga bevis för en gradient, sa Nathaniel Monson, en medlem av forskargruppen och en doktorand vid UCLA. "Det var lite överraskande. Vi kanske måste omvärdera vad vi tror att vi vet om vår galax."
Dessa data kan betyda att Vintergatan är anmärkningsvärt effektiv på att blanda sitt material, cirkulerar molekyler och atomer från det galaktiska centrumet ut i galaxens spiralarmar och rygg. Det är också möjligt att supernovor av typ 1a – som bildas i binära system när en vit dvärgstjärna stjäl för mycket material från sin följeslagare och detonerar – producerar ett överflöd av Si 28 senare under en galaxs livslängd.
Om efterföljande undersökningar av kol och syre bättre kan ta hänsyn till tidigare osäkerheter och visar samma brist på gradient, det skulle peka på att blandning är det mest sannolika scenariot.
"Det finns mycket om galaxen vi inte förstår ännu, " avslutade Young. "Det är möjligt att ytterligare studier med GBT kommer att lära oss lite mer om Vintergatan."
