Med hjälp av Gemini South-teleskopet har ett team av astronomer för första gången bekräftat att skillnader i binära stjärnors sammansättning kan härröra från kemiska variationer i molnet av stjärnmaterial som de bildades av. Resultaten hjälper till att förklara varför stjärnor födda från samma molekylära moln kan ha olika kemisk sammansättning och vara värd för olika planetsystem, samt utgöra utmaningar för nuvarande stjärn- och planetbildningsmodeller.

Det uppskattas att upp till 85 % av stjärnorna finns i binära stjärnsystem, vissa till och med i system med tre eller fler stjärnor. Dessa stjärnpar föds tillsammans ur samma molekylära moln från ett delat överflöd av kemiska byggstenar, så astronomer skulle förvänta sig att finna att de har nästan identiska sammansättningar och planetsystem.

Men för många binärer är det inte fallet. Medan vissa föreslagna förklaringar tillskriver dessa olikheter händelser som inträffade efter att stjärnorna utvecklats, har ett team av astronomer för första gången bekräftat att de faktiskt kan härröra från innan stjärnorna ens började bildas.

Under ledning av Carlos Saffe från Institute of Astronomical, Earth and Space Sciences (ICATE-CONICET) i Argentina använde teamet Gemini South-teleskopet i Chile, ena hälften av International Gemini Observatory.

Med den nya, exakta Gemini High-Resolution Optical Spectrograph (GHOST) studerade teamet ljusets olika våglängder, eller spektra, som avges av ett par jättestjärnor, vilket avslöjade betydande skillnader i deras kemiska sammansättning.

"GHOSTs extremt högkvalitativa spektra erbjöd en oöverträffad upplösning", sa Saffe, "så att vi kunde mäta stjärnornas stjärnparametrar och kemiska förekomster med högsta möjliga precision." Dessa mätningar avslöjade att en stjärna hade högre mängder av tunga grundämnen än den andra. För att reda ut ursprunget till denna diskrepans använde teamet ett unikt tillvägagångssätt.

Tidigare studier har föreslagit tre möjliga förklaringar till observerade kemiska skillnader mellan dubbelstjärnor. Två av dem involverar processer som skulle inträffa långt in i stjärnornas utveckling:atomär diffusion, eller sedimentering av kemiska element i gradientlager beroende på varje stjärnas temperatur och ytgravitation, och uppslukningen av en liten, stenig planet, vilket skulle introducera kemiska variationer i en stjärnas sammansättning.

Den tredje möjliga förklaringen ser tillbaka på början av stjärnornas bildande, vilket tyder på att skillnaderna härstammar från primordiala eller redan existerande områden av olikformighet inom molekylmolnet. I enklare termer, om det molekylära molnet har en ojämn fördelning av kemiska grundämnen, kommer stjärnor som föds i det molnet att ha olika sammansättning beroende på vilka grundämnen som fanns tillgängliga på den plats där varje bildades.

Hittills har studier kommit fram till att alla tre förklaringarna är sannolika; emellertid fokuserade dessa studier enbart på huvudsekvensbinärer. "Huvudsekvensen" är det stadium där en stjärna tillbringar större delen av sin existens, och majoriteten av stjärnorna i universum är huvudsekvensstjärnor, inklusive vår sol.

Istället observerade Saffe och hans team en binär som består av två jättestjärnor. Dessa stjärnor har extremt djupa och starkt turbulenta yttre lager eller konvektiva zoner. På grund av egenskaperna hos dessa tjocka konvektiva zoner kunde teamet utesluta två av de tre möjliga förklaringarna.

Den kontinuerliga virvlingen av vätska inom den konvektiva zonen skulle göra det svårt för materialet att lägga sig i lager, vilket innebär att jättestjärnor är mindre känsliga för effekterna av atomär diffusion - vilket utesluter den första förklaringen. Det tjocka yttre lagret innebär också att en planetarisk uppslukning inte skulle förändra en stjärnas sammansättning mycket eftersom det intagna materialet snabbt skulle spädas ut – vilket utesluter den andra förklaringen.

Detta lämnar primordiala inhomogeniteter inom molekylmolnet som den bekräftade förklaringen. "Detta är första gången astronomer har kunnat bekräfta att skillnader mellan dubbelstjärnor börjar i de tidigaste stadierna av deras bildning", säger Saffe.

"Med hjälp av precisionsmätmöjligheterna från GHOST-instrumentet samlar Gemini South nu in observationer av stjärnor i slutet av deras liv för att avslöja miljön där de föddes", säger Martin Still, NSF-programchef för International Gemini Observatory . "Detta ger oss möjligheten att utforska hur de förhållanden under vilka stjärnor bildas kan påverka hela deras existens under miljoner eller miljarder år."

Tre konsekvenser av denna studie är av särskild betydelse. För det första ger dessa resultat en förklaring till varför astronomer ser dubbelstjärnor med så olika planetsystem. "Olika planetsystem kan betyda väldigt olika planeter - steniga, jordliknande, isjättar, gasjättar - som kretsar kring sina värdstjärnor på olika avstånd och där potentialen att försörja liv kan vara väldigt olika", säger Saffe.

För det andra utgör dessa resultat en avgörande utmaning för konceptet med kemisk märkning – att använda kemisk sammansättning för att identifiera stjärnor som kom från samma miljö eller stjärnkammare – genom att visa att stjärnor med olika kemisk sammansättning fortfarande kan ha samma ursprung.

Slutligen kommer observerade skillnader som tidigare tillskrivits planetariska nedslag på en stjärnas yta att behöva ses över, eftersom de nu kan ses som att de funnits där från början av stjärnans liv.

"Genom att för första gången visa att primordiala skillnader verkligen är närvarande och ansvariga för skillnader mellan tvillingstjärnor, visar vi att stjärn- och planetbildning kan vara mer komplex än vad man först trodde", sa Saffe. "Universum älskar mångfald."

Studien är publicerad i tidskriften Astronomy &Astrophysics .

Mer information: C. Saffe et al, Disentangling the origin of chemical differences using GHOST, Astronomy &Astrophysics (2024). DOI:10.1051/0004-6361/202449263

Journalinformation: Astronomi och astrofysik

Tillhandahålls av Association of Universities for Research in Astronomy