MIT-Forscher entdecken die ältesten Sterne des Universums

Astronomen entdeckten drei uralte Sterne, die den Planeten umkreisen MilchstraßeDer Heiligenschein entstand vor 12 bis 13 Milliarden Jahren.

MIT Forscher haben drei der ältesten Sterne im Universum entdeckt und sie leben zufällig in unserer eigenen galaktischen Nachbarschaft.

Das Team, darunter mehrere Studenten, entdeckte die Sterne im „Halo“ der Milchstraße – der Sternenwolke, die die gesamte galaktische Hauptscheibe umhüllt. Basierend auf der Analyse des Teams entstanden die drei Sterne vor 12 bis 13 Milliarden Jahren, als die allerersten Galaxien Gestalt annahmen.

Die Forscher haben die Sterne „SASS“ für Sterne des Small Accreted Stellar System geprägt, da sie glauben, dass jeder Stern einst zu einer eigenen kleinen, primitiven Galaxie gehörte, die später von der größeren, aber immer noch wachsenden Milchstraße absorbiert wurde. Heute sind nur noch die drei Sterne von ihren jeweiligen Galaxien übrig. Sie umkreisen die Randgebiete der Milchstraße, wo das Team vermutet, dass es noch weitere solcher uralten stellaren Überlebenden geben könnte.

Eine neue Methode zur Untersuchung alter Sterne

„Diese ältesten Sterne sollten auf jeden Fall dort sein, wenn man bedenkt, was wir über die Entstehung von Galaxien wissen“, sagt Anna Frebel, Professorin für Physik am MIT. „Sie sind Teil unseres kosmischen Stammbaums. Und wir haben jetzt einen neuen Weg, sie zu finden.“

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

Forscher besitzen einen Ordner voller Daten über Sterne, die sie im Laufe der Jahre gesammelt haben, einschließlich der Sternhelligkeit im Laufe der Zeit. Von links nach rechts: Ananda Santos, Casey Fienberg 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 extrem lichtschwachen Sternen nachjagen zu müssen“, sagt Frebel.

Sie und ihre Kollegen haben ihre Ergebnisse am 14. Mai in der veröffentlicht Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society (MNRAS). Die Co-Autoren der Studie sind Mohammad Mardini von der Zarqa-Universität in Jordanien; Hillary Andales ’23; und die derzeitigen MIT-Studenten Ananda Santos und Casey Fienberg.

Das Klassenzimmerkonzept führt zu großen Entdeckungen

Die Entdeckungen des Teams gingen aus einem Klassenzimmerkonzept hervor. Im Herbstsemester 2022 startete Frebel einen neuen Kurs, 8.S30 (Observational Stellar Archaeology), in dem die Studierenden Techniken zur Analyse alter Sterne erlernten und diese Werkzeuge dann auf noch nie zuvor untersuchte Sterne anwendeten, um deren Herkunft zu bestimmen.

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

Die Studenten arbeiteten mit Sterndaten, die Frebel im Laufe der Jahre mit dem 6,5-Meter-Magellan-Clay-Teleskop am Las Campanas-Observatorium gesammelt hatte. Sie bewahrt Ausdrucke der Daten in einem großen Ordner in ihrem Büro auf, den die Schüler nach interessanten Sternen durchsuchten.

Sie suchten insbesondere nach alten Sternen, die sich kurz nach dem Tod bildeten Urknall, das vor 13,8 Milliarden Jahren stattfand. Zu dieser Zeit bestand das Universum hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium sowie in sehr geringen Mengen anderer chemischer Elemente wie Strontium und Barium. Also durchsuchten die Schüler Frebels Ordner nach Sternen mit Spektren oder Messungen des Sternenlichts, die auf geringe Mengen an Strontium und Barium hindeuteten.

Analyse alter Sterne

Ihre Suche konzentrierte sich auf drei Sterne, die ursprünglich zwischen 2013 und 2014 vom Magellan-Teleskop beobachtet wurden. Astronomen haben diese besonderen Sterne nie weiterverfolgt, um ihre Spektren zu interpretieren und ihren Ursprung abzuleiten. Sie waren also perfekte Kandidaten für die Schüler in Frebels Klasse.

Die Studierenden lernten, wie man einen Stern charakterisiert, um sich auf die Analyse der Spektren für jeden der drei Sterne vorzubereiten. Mit verschiedenen Sternmodellen konnten sie die chemische Zusammensetzung jedes Einzelnen bestimmen. Die Intensität eines bestimmten Merkmals im Sternspektrum, das einer bestimmten Lichtwellenlänge entspricht, entspricht einer bestimmten Häufigkeit eines bestimmten Elements.

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

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

“Auf der Flucht”

Die geringe chemische Häufigkeit der Sterne deutete darauf hin, dass sie ursprünglich vor 12 bis 13 Milliarden Jahren entstanden sind. Tatsächlich ähnelten ihre geringen chemischen Signaturen denen, die Astronomen zuvor für einige alte, ultraschwache Zwerggalaxien gemessen hatten. Entstanden die Sterne des Teams aus ähnlichen Galaxien? Und wie kamen sie in die Milchstraße?

Aus einer Ahnung heraus untersuchten die Wissenschaftler die Umlaufmuster der Sterne 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 hat einen Durchmesser von 100.000 Lichtjahren.)

Als sie mithilfe von Beobachtungen des astrometrischen Satelliten Gaia die Bewegung jedes Sterns um das galaktische Zentrum nachverfolgten, bemerkte das Team etwas Merkwürdiges: Im Vergleich zu den meisten Sternen in der Hauptscheibe, die sich wie Autos auf einer Rennstrecke bewegen, schienen alle drei Sterne dies zu tun den falschen Weg gehen. In der Astronomie wird dies als „rückläufige Bewegung“ bezeichnet und ist ein Hinweis darauf, dass ein Objekt einmal „angewachsen“ oder von anderswo her angezogen wurde.

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

Zukunftsaussichten und Forschung

Die Tatsache, dass diese drei Sterne auf völlig andere Weise umkreisten als der Rest der galaktischen Scheibe und sogar der Halo, kombiniert mit der Tatsache, dass sie geringe chemische Häufigkeiten aufwiesen, sprachen stark dafür, dass die Sterne tatsächlich uralt waren und einst zu älteren gehörten , kleinere Zwerggalaxien, die in zufälligen Winkeln in die Milchstraße fielen und Milliarden Jahre später ihre eigensinnige Flugbahn fortsetzten.

Frebel, der neugierig war, ob die rückläufige Bewegung ein Merkmal anderer früher von Astronomen analysierter Sterne im Halo war, durchsuchte die wissenschaftliche Literatur und fand 65 andere Sterne, ebenfalls mit geringer Strontium- und Bariumhäufigkeit, die offenbar ebenfalls gegen die Bewegung verliefen galaktischer Fluss.

„Interessanterweise sind sie alle ziemlich schnell – Hunderte von Kilometern pro Sekunde und fahren in die falsche Richtung“, sagt Frebel. „Sie sind auf der Flucht! Wir wissen nicht, warum das so ist, aber es war das Puzzleteil, das wir brauchten und das ich zu Beginn nicht ganz vorhergesehen 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 gehen davon aus, dass die Methode von den mehr als 400 Milliarden Sternen in der Milchstraße eine kleine, aber bedeutende Anzahl der ältesten Sterne des Universums aufdecken wird.

Frebel 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. Das ist für mich eine Premiere“, sagt sie. „Es ist wirklich ein Beispiel für die MIT-Methode. Das tun wir. Und wer sagt: ‚Ich möchte mitmachen‘, der kann das tun, und es passieren gute Dinge.“

Referenz: „Die ältesten Sterne mit geringer Häufigkeit von Neutroneneinfangelementen und Ursprünge in alten Zwerggalaxien“ von Hillary Diane Andales, Ananda Santos Figueiredo, Casey Gordon Fienberg, Mohammad K. Mardini und Anna Frebel, 14. Mai 2024, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stae670

Diese Forschung wurde teilweise von der National Science Foundation unterstützt.