Forscher vom MIT haben die ältesten Sterne im Universum entdeckt

MIT-Astronomen haben drei der ältesten Sterne im Universum entdeckt, die in unserer galaktischen Nachbarschaft leben. Die Sterne befinden sich im „Halo“ der Milchstraße – der Sternwolke, die die Hauptscheibe der Galaxie umgibt – und scheinen sich vor 12 bis 13 Milliarden Jahren gebildet zu haben, als sich die ersten Galaxien bildeten. Bildnachweis: Serge Prunier. NASA

Astronomen haben drei uralte Sterne entdeckt, die den Planeten Erde umkreisen MilchstraßeVor 12–13 Milliarden Jahren entstand ein Halo.

Massachusetts Institute of Technology Forscher haben drei der ältesten Sterne im Universum entdeckt und sie leben zufällig in unserer galaktischen Nachbarschaft.

Das Team, dem mehrere Studenten angehören, entdeckte Sterne im „Halo“ der Milchstraße – der Sternenwolke, die die gesamte galaktische Hauptscheibe bedeckt. Basierend auf der Analyse des Teams entstanden die drei Sterne vor 12 bis 13 Milliarden Jahren, als sich die ersten Galaxien bildeten.

Die Forscher nannten die kleinen, akkretierenden Sterne des Systems „SASS“, da sie glauben, dass jeder Stern einst zu einer eigenen kleinen, ursprünglichen Galaxie gehörte, die von der größeren, noch wachsenden Milchstraße absorbiert wurde. Heute sind von ihren Galaxien nur noch die drei Sterne übrig. Sie umkreisen die Randgebiete der Milchstraße, wo das Team vermutet, dass es noch weitere Überlebende alter Sterne gibt.

Eine neue Art, alte Sterne zu studieren

„Diese älteren Sterne gibt es definitiv da draußen, wenn man bedenkt, was wir über die Galaxienentstehung wissen“, sagt Anna Frebel, Professorin für Physik am MIT. „Sie sind Teil unseres kosmischen Stammbaums. Wir haben jetzt eine neue Möglichkeit, sie zu finden.“

Wenn sie ähnliche SASS-Sterne entdecken, hoffen die Forscher, sie als Gegenstücke zu ultraschwachen Zwerggalaxien zu verwenden, von denen man annimmt, dass sie zu den ersten überlebenden Galaxien im Universum gehören. Solche Galaxien sind bis heute intakt, aber sie sind zu weit entfernt und lichtschwach, als dass Astronomen sie eingehend untersuchen könnten. Da SASS-Sterne möglicherweise einst zu ähnlichen ursprünglichen Zwerggalaxien gehörten, sich aber in der Milchstraße und daher viel näher befinden, könnten sie ein zugänglicher Schlüssel zum Verständnis der Entwicklung ultraschwache Zwerggalaxien sein.

Forscher führen eine Datei voller Daten über die Sterne, die sie im Laufe der Jahre gesammelt haben, einschließlich der Helligkeit der Sterne im Laufe der Zeit. Von links nach rechts: Ananda Santos, Casey Feinberg und Anna Frebel. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung der Forscher

„Jetzt können wir nach weiteren Analoga in der Milchstraße suchen, die viel heller sind, und ihre chemische Entwicklung untersuchen, ohne diesen sehr schwachen Sternen nachjagen zu müssen“, sagt Friebel.

Sie und ihre Kollegen veröffentlichten ihre Ergebnisse am 14. Mai in der Zeitschrift Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society (MNRAS). Mitautoren der Studie sind Muhammad Mardini von der Zarqa-Universität in Jordanien; Hillary Andalis ’23; und die derzeitigen MIT-Studenten Ananda Santos und Casey Feinberg.

Das Klassenzimmerkonzept führt zu einer großen Entdeckung

Die Entdeckungen des Teams gingen auf das Klassenzimmerkonzept zurück. Im Herbstsemester 2022 startete Fripple einen neuen Kurs, 8.S30 (Observational Stellar Archaeology), in dem die Studierenden antike Techniken der Sternanalyse erlernten und diese Werkzeuge dann auf Sterne anwendeten, die zuvor noch nicht untersucht wurden, um deren Herkunft zu bestimmen.

„Während die meisten unserer Kurse von Grund auf unterrichtet werden, bringt uns dieser Kurs sofort an die Spitze der Forschung in der Astrophysik“, sagt Andalis.

Die Studenten arbeiteten mit Sterndaten, die Friebel im Laufe der Jahre vom 6,5-Meter-Magellan-Clay-Teleskop am Las Campanas-Observatorium gesammelt hatte. Sie bewahrt Papierkopien der Daten in einer großen Datei in ihrem Büro auf, die die Schüler nach interessanten Stars durchsucht haben.

Sie suchten insbesondere nach alten Sternen, die sich kurz nach dem Paläolithikum bildeten die große ExplosionWas vor 13,8 Milliarden Jahren geschah. Zu dieser Zeit bestand das Universum hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium und sehr geringen Anteilen anderer chemischer Elemente wie Strontium und Barium. Also durchsuchten die Studenten Friebels Akte nach Sternen mit Spektren oder Messungen des Sternenlichts, die auf geringe Mengen an Strontium und Barium hindeuteten.

Analyse alter Sterne

Sie beschränkten ihre Suche auf drei Sterne, die ursprünglich zwischen 2013 und 2014 vom Magellan-Teleskop beobachtet wurden. Astronomen haben diese Sterne nie gezielt verfolgt, um ihre Spektren zu interpretieren und auf ihren Ursprung zu schließen. Sie waren daher ideale Kandidaten für die Schüler in Friebels Klasse.

Die Schüler lernten, wie man einen Stern charakterisiert, um sich auf die Spektralanalyse jedes der drei Sterne vorzubereiten. Mithilfe verschiedener Sternmodelle konnten sie die chemische Zusammensetzung jedes einzelnen Sterns bestimmen. Die Intensität eines bestimmten Merkmals im Sternspektrum, das einer bestimmten Lichtwellenlänge entspricht, entspricht einer bestimmten Häufigkeit eines bestimmten Elements.

Nach Abschluss ihrer Analyse kamen die Studenten zu dem sicheren Schluss, dass die drei Sterne im Vergleich zu ihrem Referenzstern – unserer Sonne – sehr geringe Mengen an Strontium, Barium und anderen Elementen wie Eisen enthielten. Tatsächlich enthält ein einzelner Stern weniger als 1/10.000 der Menge an Eisen zu Helium als die Sonne heute.

„Es hat viele Stunden gedauert, auf den Computer zu starren, viel zu debuggen und hektisch SMS und E-Mails zu schreiben, um es herauszufinden“, erinnert sich Santos. „Es war eine große Lernkurve und eine besondere Erfahrung.“

„der Begriff“

Die geringe chemische Häufigkeit der Sterne weist darauf hin, dass sie ursprünglich vor 12 bis 13 Milliarden Jahren entstanden sind. Tatsächlich ähnelte seine geringe chemische Signatur dem, was Astronomen zuvor für einige alte, ultraschwache Zwerggalaxien gemessen hatten. Entstanden die Sterne des Teams aus ähnlichen Galaxien? Wie gelangten sie zur Milchstraße?

Basierend auf ihrer Vermutung untersuchten Wissenschaftler die Umlaufbahnmuster von Sternen und wie sie sich über den Himmel bewegen. Die drei Sterne befinden sich an verschiedenen Orten im Halo der Milchstraße und sind schätzungsweise etwa 30.000 Lichtjahre von der Erde entfernt. (Zum Vergleich: Die Scheibe der Milchstraße erstreckt sich über einen Durchmesser von 100.000 Lichtjahren.)

Als sie die Bewegung jedes Sterns um das galaktische Zentrum mithilfe von Beobachtungen des astronomischen Satelliten Gaia verfolgten, bemerkte das Team etwas Seltsames: Bei den meisten Sternen in der Hauptscheibe, die sich wie Autos auf einer Rennstrecke bewegen, schienen alle drei Sterne dies zu tun gleich sein. Du gehst in die falsche Richtung. In der Astronomie wird dies als „rückläufige Bewegung“ bezeichnet und ist ein Hinweis darauf, dass sich ein Objekt „ansammelt“ oder von woanders hergezogen wird.

„Die einzige Möglichkeit, Sterne vom Rest der Bande in die falsche Richtung zu bewegen, besteht darin, sie in die falsche Richtung zu werfen“, sagt Friebel.

Zukunftsaussichten und Forschung

Die Tatsache, dass diese drei Sterne auf ganz andere Weise umkreisten als der Rest der galaktischen Scheibe und sogar der Halo, kombiniert mit der Tatsache, dass sie nur geringe chemische Häufigkeiten aufwiesen, war ein starkes Argument dafür, dass die Sterne tatsächlich uralt waren und einst dazu gehörten ältere Sterne. Dabei handelt es sich um kleinere Zwerggalaxien, die in zufälligen Winkeln in die Milchstraße fielen und Milliarden Jahre später ihren hartnäckigen Weg fortsetzten.

Frebel wollte wissen, ob die retrograde Bewegung ein Merkmal anderer alter Sterne im Halo war, die Astronomen zuvor analysiert hatten. Deshalb durchsuchte er die wissenschaftliche Literatur und fand 65 weitere Sterne, die ebenfalls geringe Mengen an Strontium und Barium enthielten, was ebenfalls zu passieren schien gegen die Theorie. galaktischer Fluss.

„Es ist interessant, dass sie alle sehr schnell sind; Hunderte von Kilometern pro Sekunde und in die falsche Richtung“, sagt Fripple. „Sie sind auf der Flucht! Wir wissen nicht, warum das passiert ist, aber es war das Puzzleteil, das wir brauchten, und eines, mit dem ich zu Beginn nicht ganz gerechnet hatte.“

Das Team ist bestrebt, nach anderen alten SASS-Sternen zu suchen, und hat jetzt ein relativ einfaches Rezept dafür: Suchen Sie zunächst nach Sternen mit geringer chemischer Häufigkeit und verfolgen Sie dann ihre Umlaufbahnmuster auf Anzeichen einer rückläufigen Bewegung. Sie erwarten, dass diese Methode von den mehr als 400 Milliarden Sternen in der Milchstraße eine kleine, aber bedeutende Anzahl der ältesten Sterne des Universums entstehen lässt.

Fripple plant, den Kurs im Herbst wieder aufzunehmen, und blickt mit Bewunderung und Dankbarkeit auf den ersten Kurs und die drei Studenten zurück, die ihre Ergebnisse zur Veröffentlichung gebracht haben.

„Es war großartig, mit drei Studentinnen zusammenzuarbeiten“, sagt sie. „Es ist wirklich ein Beispiel für den MIT-Weg. Das tun wir. Wer sagt: Ich will mitmachen, der kann es, und es wird Gutes passieren.

Referenz: „Älteste Sterne mit geringer Häufigkeit neutroneneinfangender Elemente und ihre Ursprünge in alten Zwerggalaxien“ von Hilary Diane Andalis, Ananda Santos Figueiredo, Casey Gordon Feinberg, Muhammad K. Mardini und Anna Friebel, 14. Mai 2024, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
doi: 10.1093/mnras/stae670

Diese Forschung wurde teilweise von der National Science Foundation unterstützt.