MIT-forskare, inklusive flera studenter, har upptäckt tre av de äldsta stjärnorna i universum, och de råkar bo i vårt eget galaktiska område.
Teamet såg stjärnorna i Vintergatans "halo" - molnet av stjärnor som omsluter hela den galaktiska huvudskivan. Baserat på teamets analys bildades de tre stjärnorna för mellan 12 och 13 miljarder år sedan, tiden då de allra första galaxerna tog form.
Forskarna har myntat stjärnorna "SASS" för små samlade stjärnsystemstjärnor, eftersom de tror att varje stjärna en gång tillhörde sin egen lilla, primitiva galax som senare absorberades av den större men fortfarande växande Vintergatan. Idag är de tre stjärnorna allt som finns kvar av sina respektive galaxer. De cirklar i utkanten av Vintergatan, där teamet misstänker att det kan finnas fler sådana forntida stjärnöverlevande.
"Dessa äldsta stjärnor borde definitivt finnas där, med tanke på vad vi vet om galaxbildning", säger MIT-professorn i fysik Anna Frebel. "De är en del av vårt kosmiska släktträd. Och vi har nu ett nytt sätt att hitta dem."
När de avslöjar liknande SASS-stjärnor hoppas forskarna kunna använda dem som analoger till ultrasvaga dvärggalaxer, som tros vara några av universums överlevande första galaxer. Sådana galaxer är fortfarande intakta idag men är för avlägsna och svaga för astronomer att studera på djupet.
Eftersom SASS-stjärnor en gång kan ha tillhört liknande primitiva dvärggalaxer men befinner sig i Vintergatan och som sådana mycket närmare, kan de vara en lättillgänglig nyckel för att förstå utvecklingen av ultrasvaga dvärggalaxer.
"Nu kan vi leta efter fler analoger i Vintergatan, som är mycket ljusare, och studera deras kemiska utveckling utan att behöva jaga dessa extremt svaga stjärnor", säger Frebel.
Hon och hennes kollegor har publicerat sina resultat idag (14 maj) i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . Studiens medförfattare är Mohammad Mardini, vid Zarqa University, i Jordanien; Hillary Andales '23; och nuvarande MIT-studenter Ananda Santos och Casey Fienberg.
Teamets upptäckter växte fram ur ett klassrumskoncept. Under höstterminen 2022 lanserade Frebel en ny kurs, 8.S30 (Observational Stellar Archaeology), där eleverna lärde sig tekniker för att analysera forntida stjärnor och sedan tillämpade dessa verktyg på stjärnor som aldrig hade studerats tidigare, för att fastställa deras ursprung.
"Medan de flesta av våra klasser undervisas från grunden, satte den här klassen oss omedelbart vid frontlinjen för forskning inom astrofysik," säger Andales.
Eleverna arbetade från stjärndata som samlats in av Frebel under åren från 6,5-meters Magellan-Clay-teleskopet vid Las Campanas-observatoriet. Hon förvarar papperskopior av data i en stor pärm på sitt kontor, som eleverna kammade igenom för att leta efter intressanta stjärnor.
I synnerhet letade de efter gamla stjärnor som bildades strax efter Big Bang, som inträffade för 13,8 miljarder år sedan. Vid den här tiden bestod universum mestadels av väte och helium och mycket låga mängder av andra kemiska grundämnen, såsom strontium och barium. Så eleverna tittade igenom Frebels bindemedel efter stjärnor med spektra, eller mätningar av stjärnljus, som indikerade låga förekomster av strontium och barium.
Deras sökning minskade på tre stjärnor som ursprungligen observerades av Magellan-teleskopet mellan 2013 och 2014. Astronomer följde aldrig upp dessa speciella stjärnor för att tolka deras spektra och härleda deras ursprung. De var alltså perfekta kandidater för eleverna i Frebels klass.
Eleverna lärde sig hur man karakteriserar en stjärna för att förbereda sig för analys av spektra för var och en av de tre stjärnorna. De kunde bestämma den kemiska sammansättningen av var och en med olika stjärnmodeller. Intensiteten hos ett visst särdrag i stjärnspektrumet, som motsvarar en specifik ljusvåglängd, motsvarar en viss mängd av ett specifikt element.
Efter att ha avslutat sin analys kunde eleverna med tillförsikt dra slutsatsen att de tre stjärnorna hade mycket låga mängder strontium, barium och andra grundämnen som järn, jämfört med deras referensstjärna – vår egen sol. Faktum är att en stjärna innehöll mindre än 1/10 000 mängden järn till helium jämfört med solen idag.
"Det tog många timmar att stirra på en dator och mycket felsökning, frenetiskt sms och e-post till varandra för att komma på det här", minns Santos. "Det var en stor inlärningskurva och en speciell upplevelse."
Stjärnornas låga kemiska förekomst antydde att de ursprungligen bildades för 12 till 13 miljarder år sedan. Faktum är att deras låga kemiska signaturer liknade vad astronomer tidigare hade mätt för vissa forntida, ultrasvaga dvärggalaxer. Har lagets stjärnor sitt ursprung i liknande galaxer? Och hur kom de till i Vintergatan?
På en gissning kollade forskarna ut stjärnornas omloppsmönster och hur de rör sig över himlen. De tre stjärnorna finns på olika platser i hela Vintergatans gloria och beräknas vara cirka 30 000 ljusår från jorden. (För referens, Vintergatans skiva sträcker sig över 100 000 ljusår.)
När de spårade varje stjärnas rörelse kring det galaktiska centrumet med hjälp av observationer från Gaia astrometriska satellit, märkte teamet en märklig sak:I förhållande till de flesta stjärnorna på huvudskivan, som rör sig som bilar på en racerbana, verkade alla tre stjärnorna vara går åt fel håll. Inom astronomi är detta känt som "retrograd rörelse" och är ett tips om att ett föremål en gång har "ackreterats" eller dragits in från någon annanstans.
"Det enda sättet du kan få stjärnor att gå åt fel håll från resten av gänget är om du kastar dem på fel sätt", säger Frebel.
Det faktum att dessa tre stjärnor kretsade på helt olika sätt än resten av den galaktiska skivan och till och med glorian, i kombination med det faktum att de hade låga kemiska förekomster, gjorde ett starkt argument för att stjärnorna verkligen var gamla och en gång tillhörde äldre , mindre dvärggalaxer som föll ner i Vintergatan i slumpmässiga vinklar och fortsatte sina envisa banor miljarder år senare.
Frebel, nyfiken på om retrograd rörelse var ett kännetecken för andra antika stjärnor i den gloria som astronomer tidigare analyserat, tittade igenom den vetenskapliga litteraturen och fann 65 andra stjärnor, även med låga strontium- och bariumförekomster, som också verkade gå emot galaktiskt flöde.
"Intressant nog är de alla ganska snabba - hundratals kilometer per sekund, går åt fel håll", säger Frebel. "De är på flykt! Vi vet inte varför det är så, men det var pusselbiten som vi behövde och som jag inte riktigt förutsåg när vi började."
Teamet är angelägna om att söka efter andra forntida SASS-stjärnor, och de har nu ett relativt enkelt recept för att göra det:Leta först efter stjärnor med låga kemiska förekomster och spåra sedan deras omloppsmönster för tecken på retrograd rörelse. Av de mer än 400 miljarder stjärnorna i Vintergatan, räknar de med att metoden kommer att visa ett litet men betydande antal av universums äldsta stjärnor.
Frebel planerar att återlansera klassen i höst och ser tillbaka på den första kursen och de tre eleverna som tog fram sina resultat till publicering, med beundran och tacksamhet.
"Det har varit fantastiskt att arbeta med tre kvinnliga studenter. Det är första gången för mig", säger hon. "Det är verkligen ett exempel på MIT-sättet. Det gör vi. Och den som säger "jag vill delta", de kan göra det, och bra saker händer."
Mer information: Hillary Diane Andales et al, De äldsta stjärnorna med låg mängd neutronfångande element och ursprung i antika dvärggalaxer, Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society (2024). DOI:10.1093/mnras/stae670
Journalinformation: Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
