Med hjälp av högupplöst adaptiv optik avbildning från Gemini Observatory, astronomer har upptäckt en av de äldsta stjärnhoparna i Vintergatans galax. Den anmärkningsvärt skarpa bilden ser tillbaka till vårt universums tidiga historia och ger nya insikter om hur vår galax bildades.

Precis som högupplöst bildbehandling förvandlar hemunderhållning, det främjar också hur astronomer studerar universum.

"Ultra-skarpa adaptiva optikbilder från Gemini Observatory gjorde det möjligt för oss att bestämma åldern på några av de äldsta stjärnorna i vår galax, " sa Leandro Kerber från Universidade de São Paulo och Universidade Estadual de Santa Cruz, Brasilien. Kerber ledde ett stort internationellt forskarlag som publicerade sina resultat i aprilnumret 2019 av Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society .

Med hjälp av avancerad adaptiv optikteknik vid Gemini South-teleskopet i Chile, forskarna zoomade in på ett kluster av stjärnor som kallas HP 1. "Att ta bort vår atmosfärs förvrängningar till stjärnljus med adaptiv optik avslöjar enorma detaljer i de objekt vi studerar, " tillade Kerber. "Eftersom vi fångade dessa stjärnor i så stor detalj, vi kunde fastställa deras höga ålder och skapa en mycket fängslande historia."

Den historien börjar precis när universum nådde sin en miljardårsfödelsedag.

"Denna stjärnhop är som ett gammalt fossil begravt djupt i vår galaxs utbuktning, och nu har vi kunnat datera det till en avlägsen tid när universum var väldigt ungt, sa Stefano Souza, en doktorand vid Universidade de São Paulo, Brasilien, som arbetade med Kerber som en del av forskargruppen. Teamets resultat daterar klustret till cirka 12,8 miljarder år, gör dessa stjärnor bland de äldsta som någonsin hittats i vår galax. "Det här är också några av de äldsta stjärnorna vi har sett någonstans, tillade Souza.

"HP 1 är en av de överlevande medlemmarna av de grundläggande byggstenarna som satte ihop vår galax inre utbuktning, sade Kerber. Tills för några år sedan, astronomer trodde att de äldsta klotformade stjärnhoparna - sfäriska svärmar på upp till en miljon stjärnor - bara fanns i de yttre delarna av Vintergatan, medan de yngre bodde i de innersta galaktiska områdena. Dock, Kerbers studie, såväl som annat nyligt arbete baserat på data från Gemini Observatory och Hubble Space Telescope (HST), har avslöjat att forntida stjärnhopar också finns inom den galaktiska utbuktningen och relativt nära det galaktiska centrumet.

Globulära hopar berättar mycket om bildningen och utvecklingen av Vintergatan. De flesta av dessa forntida och massiva stjärnsystem tros ha smält samman ur det ursprungliga gasmolnet som senare kollapsade för att bilda spiralskivan i vår galax, medan andra verkar vara kärnorna i dvärggalaxer som konsumeras av vår Vintergatan. Av de ungefär 160 klothopar som är kända i vår galax, ungefär en fjärdedel är belägna inom Vintergatans mycket skymd och tätt packade centrala utbuktning. Denna sfäriska massa av stjärnor cirka 10, 000 ljusår tvärs över bildar Vintergatans centrala nav (gulan om du så vill) som huvudsakligen är gjord av gamla stjärnor, gas, och damm. Bland klustren inom utbuktningen, de som är mest metallfattiga (saknar tyngre grundämnen) – som inkluderar HP 1 – har länge misstänkts vara äldst. HP 1 är då avgörande, eftersom den fungerar som ett utmärkt spårare av vår galax tidiga kemiska utveckling.

"HP 1 spelar en avgörande roll i vår förståelse av hur Vintergatan bildades, " sade Kerber. "Det hjälper oss att överbrygga klyftan i vår förståelse mellan vår galaxs förflutna och dess nutid."

Kerber och hans internationella team använde de utsökt djupa högupplösta adaptiva optikbilderna från Gemini Observatory samt optiska arkivbilder från HST för att identifiera svaga klustermedlemmar, som är avgörande för åldersbestämning. Med denna rika datamängd bekräftade de att HP 1 är en fossil kvarleva född mindre än en miljard år efter Big Bang, när universum var i sin linda.

"Dessa resultat kröner en insats på mer än två decennier med några av världens främsta teleskop som syftar till att bestämma exakta kemiska förekomster med högupplöst spektroskopi, " sa Beatriz Barbuy från Universidade de São Paulo, medförfattare till denna artikel och en världskänd expert på detta område. "Dessa Gemini-bilder är de bästa markbaserade fotometriska data vi har. De är på samma nivå av HST-data, så att vi kan återställa en saknad bit i vårt pussel:HP 1 års ålder. Från förekomsten av sådana gamla föremål, vi kan intyga den korta tidsskalan för stjärnbildning i den galaktiska utbuktningen, såväl som dess snabba kemiska anrikning."

För att bestämma klustrets avstånd, teamet använde arkiverad markbaserad data för att identifiera 11 RR Lyrae variabla stjärnor (en typ av "standardljus" som används för att mäta kosmiska avstånd) inom HP 1. Den observerade ljusstyrkan för dessa RR Lyrae-stjärnor indikerar att HP 1 är på ett avstånd av ca 21, 500 ljusår, placera den cirka 6, 000 ljusår från det galaktiska centrumet, väl inom Galaxys centrala utbuktningsområde.

Kerber och hans team använde också Gemini-data, även HST, Mycket stort teleskop, och Gaia uppdragsdata, för att förfina omloppsbanan för HP 1 i vår galax. Denna analys visar att under HP 1:s historia, klustret kom så nära som cirka 400 ljusår från det galaktiska centrumet – mindre än en tiondel av dess nuvarande avstånd.

"Kombinationen av hög vinkelupplösning och nära-infraröd känslighet gör GeMS/GSAOI till ett extremt kraftfullt verktyg för att studera dessa kompakta, starkt dammhöljda stjärnhopar, " tillade Mattia Libralato från Space Telescope Science Institute, medförfattare till studien. "Noggrann karakterisering av dessa gamla system, som vi har gjort här, är avgörande för att förfina vår kunskap om vår galaxs formation."

Chris Davis, Programansvarig vid National Science Foundation (NSF) för Gemini, kommenterade, "Dessa fantastiska resultat visar varför utvecklingen av breda fält, Högupplöst bildbehandling vid Gemini är nyckeln till observatoriets framtid. Den senaste NSF-utmärkelsen för att stödja utvecklingen av ett liknande system på Gemini North kommer att göra rutinmässig superskarp bildtagning från båda hemisfärerna till verklighet. Det är verkligen spännande tider för observatoriet."

Tvillingobservationerna löser stjärnor till cirka 0,1 bågsekund, vilket är en 36 tusendels grad och jämförbart med att skilja två bilstrålkastare från cirka 1, 500 mil, eller 2, 500 kilometer, bort (avståndet från Manaus till Sao Paulo i Brasilien, eller från San Francisco till Dallas i USA). Denna upplösning erhölls med hjälp av Gemini South Adaptive Optics Imager (GSAOI) – en nära-infraröd adaptiv optikkamera som används med Gemini Multi-conjugate adaptive optics System (GeMS). GeMS är ett avancerat adaptivt optiksystem som använder tre deformerbara speglar för att korrigera för förvrängningar som orsakas av stjärnljus av turbulens i lager av vår atmosfär.