I ricercatori del MIT hanno scoperto le stelle più antiche dell’universo

Gli astronomi hanno scoperto tre antiche stelle in orbita attorno al pianeta Terra via LatteaUn alone si è formato 12-13 miliardi di anni fa.

Istituto di Tecnologia del Massachussetts I ricercatori hanno scoperto tre delle stelle più antiche dell’universo e vivono nel nostro quartiere galattico.

Il team, che comprende diversi studenti universitari, ha scoperto le stelle nell’“alone” della Via Lattea, la nuvola di stelle che copre l’intero disco galattico principale. Secondo l’analisi del team, le tre stelle si sono formate tra 12 e 13 miliardi di anni fa, epoca in cui si formarono le prime galassie.

I ricercatori hanno chiamato le piccole stelle in accrescimento del sistema “SASS”, poiché credono che ciascuna stella appartenesse una volta alla sua piccola galassia primordiale che fu assorbita dalla Via Lattea più grande, ancora in crescita. Oggi le tre stelle sono tutto ciò che resta delle loro galassie. Orbitano alla periferia della Via Lattea, dove il team sospetta che potrebbero esserci altri sopravvissuti di antiche stelle.

Un nuovo modo di studiare le stelle antiche

“Queste stelle più vecchie sono sicuramente là fuori, dato quello che sappiamo sulla formazione delle galassie”, dice Anna Frebel, professoressa di fisica al MIT. “Fanno parte del nostro albero genealogico cosmico. Ora abbiamo un nuovo modo per trovarli.”

Man mano che scoprono stelle SASS simili, i ricercatori sperano di usarle come controparti delle galassie nane ultra-deboli, che si ritiene siano alcune delle prime galassie sopravvissute nell’universo. Tali galassie rimangono intatte fino ad oggi, ma sono troppo distanti e deboli perché gli astronomi possano studiarle in profondità. Poiché le stelle SASS potrebbero un tempo appartenere a galassie nane primordiali simili, ma si trovano nella Via Lattea e quindi molto più vicine, potrebbero rappresentare una chiave accessibile per comprendere l’evoluzione delle galassie nane ultradeboli.

I ricercatori conservano un file pieno di dati sulle stelle che hanno raccolto nel corso degli anni, inclusa la luminosità delle stelle nel tempo. Da sinistra a destra: Ananda Santos, Casey Feinberg e Anna Frebel. Credito: per gentile concessione dei ricercatori

“Ora possiamo cercare altri analoghi nella Via Lattea, che sono molto più luminosi, e studiare la loro evoluzione chimica senza dover inseguire queste stelle molto deboli”, dice Friebel.

Lei e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro risultati il ​​14 maggio sulla rivista Avvisi mensili della Royal Astronomical Society (MNRAS). Coautori dello studio sono Muhammad Mardini, dell’Università di Zarqa in Giordania; Hillary Andalis ’23; e gli attuali studenti universitari del MIT Ananda Santos e Casey Feinberg.

Il concetto di classe porta a una scoperta importante

Le scoperte del team derivano dal concetto di classe. Durante il semestre autunnale del 2022, Fripple ha lanciato un nuovo corso, 8.S30 (Observational Stellar Archaeology), in cui gli studenti hanno imparato antiche tecniche di analisi stellare e poi hanno applicato tali strumenti a stelle che non erano state studiate prima, per determinarne le origini.

“Anche se la maggior parte dei nostri corsi vengono tenuti da zero, questo corso ci pone immediatamente in prima linea nella ricerca in astrofisica”, afferma Andalis.

Gli studenti hanno lavorato con i dati stellari che Friebel ha raccolto nel corso degli anni dal telescopio Magellan-Clay di 6,5 metri presso l’Osservatorio di Las Campanas. Conserva copie cartacee dei dati in un grande file nel suo ufficio, che gli studenti hanno esaminato alla ricerca di stelle di interesse.

In particolare, stavano cercando stelle antiche che si formarono poco dopo il Paleolitico la grande esplosioneCiò accadde 13,8 miliardi di anni fa. A quel tempo, l’universo era composto principalmente da idrogeno ed elio e da percentuali molto basse di altri elementi chimici, come stronzio e bario. Quindi, gli studenti hanno cercato nel file di Friebel stelle con spettri, o misurazioni della luce stellare, che indicavano basse abbondanze di stronzio e bario.

Analisi delle stelle antiche

Hanno ristretto la ricerca a tre stelle originariamente osservate dal telescopio Magellano tra il 2013 e il 2014. Gli astronomi non hanno mai seguito queste stelle specificatamente per interpretarne gli spettri e dedurne le origini. Erano quindi candidati ideali per gli studenti della classe di Friebel.

Gli studenti hanno imparato come caratterizzare una stella per prepararsi all’analisi spettrale di ciascuna delle tre stelle. Sono stati in grado di determinare la composizione chimica di ciascuno utilizzando diversi modelli stellari. L’intensità di una data caratteristica dello spettro stellare, corrispondente ad una data lunghezza d’onda della luce, corrisponde ad una data abbondanza di un dato elemento.

Dopo aver completato la loro analisi, gli studenti sono stati in grado di concludere con sicurezza che le tre stelle contenevano quantità molto basse di stronzio, bario e altri elementi come il ferro, rispetto alla loro stella di riferimento: il nostro Sole. In effetti, una singola stella contiene meno di 1/10.000 della quantità di ferro rispetto a elio rispetto a quella presente oggi nel Sole.

“Ci sono volute molte ore passate a fissare il computer, molto debugging e messaggi di testo ed e-mail frenetici per capirlo”, ricorda Santos. “È stata una grande curva di apprendimento e un’esperienza speciale.”

“il termine”

La bassa abbondanza chimica delle stelle indica che si sono formate originariamente tra 12 e 13 miliardi di anni fa. In effetti, la sua bassa firma chimica era simile a quella che gli astronomi avevano misurato in precedenza per alcune antiche galassie nane ultradeboli. Le stelle del team hanno avuto origine in galassie simili? Come hanno raggiunto la Via Lattea?

Basandosi su questa intuizione, gli scienziati hanno esaminato i modelli orbitali delle stelle e il modo in cui si muovono nel cielo. Le tre stelle si trovano in luoghi diversi nell’alone della Via Lattea e si stima che siano a circa 30.000 anni luce dalla Terra. (Per riferimento, il disco della Via Lattea si estende per 100.000 anni luce.)

Quando hanno seguito il movimento di ciascuna stella attorno al centro galattico utilizzando le osservazioni del satellite astronomico Gaia, il team ha notato qualcosa di strano: per la maggior parte delle stelle nel disco principale, che si muovono come automobili su una pista, tutte e tre le stelle sembravano essere lo stesso. Stai andando nella direzione sbagliata. In astronomia, questo è noto come “movimento retrogrado” ed è un’indicazione che l’oggetto si è “accumulato” o è stato tirato da qualche altra parte.

“L’unico modo per far sì che le star vadano nella direzione sbagliata rispetto al resto del gruppo è lanciarle nella direzione sbagliata”, afferma Friebel.

Prospettive future e ricerca

Il fatto che queste tre stelle orbitassero in modi molto diversi dal resto del disco galattico e persino dall’alone, combinato con il fatto che avevano basse abbondanze chimiche, dimostrava con forza che le stelle erano davvero antiche e un tempo appartenevano a stelle più vecchie. Sono galassie nane più piccole che caddero nella Via Lattea ad angoli casuali e continuarono il loro ostinato percorso miliardi di anni dopo.

Frebel era interessato a sapere se il movimento retrogrado fosse una caratteristica di altre stelle antiche nell’alone che gli astronomi avevano precedentemente analizzato, quindi cercò nella letteratura scientifica e trovò altre 65 stelle, anch’esse contenenti basse abbondanze di stronzio e bario, che sembravano andare anch’esse contro la teoria. flusso galattico.

“È interessante notare che sono tutti molto veloci; centinaia di chilometri al secondo, andando nella direzione sbagliata”, dice Fripple. “Sono in fuga! Non sappiamo perché sia ​​successo, ma era il pezzo del puzzle di cui avevamo bisogno e che non mi aspettavo proprio quando abbiamo iniziato.”

Il team è ansioso di cercare altre antiche stelle SASS e ora ha una ricetta relativamente semplice per farlo: in primo luogo, cercare stelle con basse abbondanze chimiche, quindi tracciare i loro schemi orbitali per segni di movimento retrogrado. Si prevede che tra gli oltre 400 miliardi di stelle della Via Lattea questo metodo dia origine a un numero piccolo ma significativo delle stelle più antiche dell’universo.

Fripple prevede di rilanciare il corso questo autunno e ripercorre il primo corso e i tre studenti che hanno portato i loro risultati alla pubblicazione, con ammirazione e gratitudine.

“È stato fantastico lavorare con tre studentesse universitarie. Questa è la prima volta per me”, afferma. “È davvero un esempio del metodo del MIT. Noi facciamo. Chi dice: voglio partecipare, può farlo e succederanno cose belle.

Riferimento: “Le stelle più antiche con basse abbondanze di elementi che catturano neutroni e le loro origini nelle antiche galassie nane” di Hilary Diane Andalis, Ananda Santos Figueiredo, Casey Gordon Feinberg, Muhammad K. Mardini e Anna Friebel, 14 maggio 2024, Avvisi mensili della Royal Astronomical Society.
doi: 10.1093/mnras/stae670

Questa ricerca è stata sostenuta in parte dalla National Science Foundation.