Три звезды, вращающиеся вокруг гало Млечного Пути, образовались 12–13 миллиардов лет назад.

Исследователи Массачусетского технологического института, в том числе несколько студентов бакалавриата, обнаружили три старейшие звезды во Вселенной, и им довелось жить по соседству с нашей галактикой.

Команда заметила звезды в «гало» Млечного Пути — облаке звезд, которое окутывает весь главный галактический диск. Согласно анализу команды, три звезды образовались между 12 и 13 миллиардами лет назад, в то время, когда формировались самые первые галактики.

Исследователи назвали звезды «SASS» для небольших сросшихся звезд звездной системы, поскольку они полагают, что каждая звезда когда-то принадлежала своей маленькой примитивной галактике, которая позже была поглощена более крупным, но все еще растущим Млечным Путем. Сегодня три звезды — это все, что осталось от соответствующих галактик. Они кружат по окраинам Млечного Пути, где, как подозревает команда, может быть больше таких древних звездных выживших.

«Эти самые старые звезды определенно должны быть там, учитывая то, что мы знаем о формировании галактик», — говорит профессор физики Массачусетского технологического института Анна Фребель. «Они являются частью нашего космического генеалогического древа. И теперь у нас есть новый способ их найти».

Открывая подобные звезды SASS, исследователи надеются использовать их в качестве аналогов ультратусклых карликовых галактик, которые считаются одними из первых сохранившихся галактик во Вселенной. Такие галактики сохранились и сегодня, но они слишком далеки и слабы, чтобы астрономы могли их углубленно изучать.

Поскольку звезды SASS, возможно, когда-то принадлежали столь же примитивным карликовым галактикам, но находятся в Млечном Пути и, следовательно, намного ближе, они могут быть доступным ключом к пониманию эволюции ультратусклых карликовых галактик.

«Теперь мы можем искать в Млечном Пути больше аналогов, которые намного ярче, и изучать их химическую эволюцию, не гоняясь за этими чрезвычайно слабыми звездами», — говорит Фребель.

Она и ее коллеги опубликовали свои выводы сегодня (14 мая) в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества. Соавторами исследования являются Мохаммад Мардини из Университета Зарка в Иордании; Хиллари Андалес '23 года; и нынешние студенты Массачусетского технологического института Ананда Сантос и Кейси Файнберг.

Звездный рубеж

Открытия команды выросли из концепции классной комнаты. В осеннем семестре 2022 года Фребель запустил новый курс 8.S30 (Наблюдательная звездная археология), в рамках которого студенты изучают методы анализа древних звезд, а затем применяют эти инструменты к звездам, которые никогда раньше не изучались, чтобы определить их происхождение.

«Хотя большинство наших занятий преподаются с нуля, этот курс сразу выводит нас на передний план исследований в области астрофизики», — говорит Андалес.

Студенты работали с данными о звездах, собранными Фребелем на протяжении многих лет с помощью 6,5-метрового телескопа Магеллан-Клей в обсерватории Лас-Кампанас. Она хранит бумажные копии данных в большой папке в своем кабинете, которую студенты просматривали в поисках интересных звезд.

В частности, они искали древние звезды, образовавшиеся вскоре после Большого взрыва, произошедшего 13,8 миллиардов лет назад. В то время Вселенная состояла в основном из водорода и гелия и очень небольшого количества других химических элементов, таких как стронций и барий. Итак, студенты просмотрели папку Фребеля в поисках звезд со спектрами или измерениями звездного света, которые указывали на низкое содержание стронция и бария.

Их поиск ограничился тремя звездами, которые первоначально наблюдались телескопом Магеллан в период с 2013 по 2014 год. Астрономы никогда не следили за этими конкретными звездами, чтобы интерпретировать их спектры и сделать вывод об их происхождении. Таким образом, они были идеальными кандидатами в ученики класса Фребеля.

Студенты научились давать характеристику звезде, чтобы подготовиться к анализу спектров каждой из трех звезд. Им удалось определить химический состав каждого из них с помощью различных звездных моделей. Интенсивность определенной особенности звездного спектра, соответствующая определенной длине волны света, соответствует определенному содержанию определенного элемента.

После завершения анализа студенты смогли с уверенностью сделать вывод, что эти три звезды действительно содержат очень низкое содержание стронция, бария и других элементов, таких как железо, по сравнению с их опорной звездой — нашим собственным Солнцем. Фактически, одна звезда содержала менее 1/10 000 количества железа по сравнению с сегодняшним Солнцем.

«Чтобы разобраться в этом, потребовалось много часов, глядя на компьютер, и много отладки, лихорадочно переписываясь и отправляя друг другу сообщения по электронной почте», — вспоминает Сантос. «Это был большой период обучения и особенный опыт».

'На ходу'

Низкое химическое содержание звезд намекает на то, что они первоначально образовались 12–13 миллиардов лет назад. Фактически, их низкие химические характеристики были аналогичны тем, которые астрономы ранее измеряли для некоторых древних ультратусклых карликовых галактик. Звезды команды произошли из похожих галактик? И как они оказались в Млечном Пути?

Догадавшись, ученые проверили структуру орбит звезд и то, как они движутся по небу. Три звезды находятся в разных местах гало Млечного Пути и, по оценкам, находятся на расстоянии около 30 000 световых лет от Земли. (Для справки: диаметр диска Млечного Пути составляет 100 000 световых лет.)

Прослеживая движение каждой звезды вокруг галактического центра, используя наблюдения астрометрического спутника Гайя, команда заметила любопытную вещь: по сравнению с большинством звезд главного диска, которые движутся, как автомобили на гоночной трассе, все три звезды казались идти неверным путем. В астрономии это известно как «ретроградное движение» и является признаком того, что объект когда-то «сросся» или был притянут откуда-то еще.

«Единственный способ заставить звезды идти не в ту сторону по сравнению с остальной частью банды — это бросить их не в ту сторону», — говорит Фребель.

Тот факт, что эти три звезды вращались совершенно иначе, чем остальная часть галактического диска и даже гало, в сочетании с тем фактом, что они имели низкое химическое содержание, убедительно доказывает, что звезды действительно были древними и когда-то принадлежали более древним , меньшие карликовые галактики, которые упали в Млечный Путь под случайными углами и продолжили свои упрямые траектории миллиарды лет спустя.

Фребелю было любопытно, является ли ретроградное движение особенностью других древних звезд в гало, которое астрономы ранее проанализировали, просматривая научную литературу и обнаружив галактический поток.

«Интересно, что они все довольно быстрые — сотни километров в секунду и движутся не в ту сторону», — говорит Фребель. «Они в бегах! Мы не знаем, почему это так, но это была та часть головоломки, которая нам была нужна, и которую я не совсем предвидел, когда мы начинали».

Команда стремится найти другие древние звезды SASS, и теперь у них есть относительно простой рецепт для этого: сначала ищите звезды с низким химическим составом, а затем отслеживайте их орбитальные схемы на предмет признаков ретроградного движения. Они ожидают, что из более чем 400 миллиардов звезд Млечного Пути этот метод позволит обнаружить небольшое, но значительное количество старейших звезд Вселенной.

Фребель планирует возобновить занятия этой осенью и с восхищением и благодарностью вспоминает тот первый курс и трех студентов, которые опубликовали свои результаты.

«Было здорово работать с тремя студентками. Для меня это впервые», — говорит она. «Это действительно пример подхода MIT. Мы это делаем. И тот, кто говорит: «Я хочу участвовать», он может это сделать, и происходят хорошие вещи».

Информация от: Массачусетским технологическим институтом.

Эта история переиздана благодаря MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярному сайту, на котором освещаются новости об исследованиях, инновациях и преподавании MIT.