Znanstvenici s MIT-a, uključujući nekoliko preddiplomskih studenata, otkrili su tri najstarije zvijezde u svemiru, a one se nalaze u našem galaktičkom susjedstvu.

Tim je zvijezde uočio u "halou" Mliječne staze — oblaku zvijezda koji obavija cijeli glavni galaktički disk. Prema analizi tima, tri zvijezde su se formirale prije između 12 i 13 milijardi godina, u vrijeme kada su se stvarale prve galaksije.

Znanstvenici su zvijezde nazvali "SASS," što je skraćenica za Small Accreted Stellar System (mali akretirani zvjezdani sustav), jer vjeruju da je svaka zvijezda nekada pripadala svojoj maloj, primitivnoj galaksiji koja je kasnije apsorbirana od strane veće, ali još uvijek rastuće Mliječne staze. Danas su te tri zvijezde sve što je ostalo od njihovih izvornih galaksija. One kruže rubovima Mliječne staze, gdje tim sumnja da bi moglo biti još takvih drevnih zvjezdanih preživjelih.

"Ove najstarije zvijezde sigurno bi trebale biti tu, s obzirom na ono što znamo o formiranju galaksija," kaže profesorica fizike na MIT-u Anna Frebel. "One su dio naše kozmičke obiteljske stabla. I sada imamo novi način kako ih pronaći."

Kako otkrivaju slične SASS zvijezde, istraživači se nadaju da će ih koristiti kao analogne ultrafaint patuljastim galaksijama, koje se smatraju nekima od prvih galaksija koje su preživjele u svemiru. Takve galaksije su još uvijek netaknute, ali su previše udaljene i slabe da bi ih astronomi mogli temeljito proučavati. Budući da su SASS zvijezde možda nekada pripadale sličnim primitivnim patuljastim galaksijama, ali su u Mliječnoj stazi i kao takve mnogo bliže, mogle bi biti pristupačan ključ za razumijevanje evolucije ultrafaint patuljastih galaksija.

"Sada možemo tražiti više analoga u Mliječnoj stazi, koji su mnogo svjetliji, i proučavati njihovu kemijsku evoluciju bez potrebe za potjerom za tim izuzetno slabim zvijezdama," kaže Frebel.

Ona i njezini kolege objavili su svoja otkrića danas u Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS). Koautori studije su Mohammad Mardini sa Sveučilišta Zarqa u Jordanu; Hillary Andales ’23; i trenutni preddiplomski studenti MIT-a Ananda Santos i Casey Fienberg.

Zvjezdana granica
Otkrića tima proizašla su iz koncepta iz učionice. Tijekom jesenskog semestra 2022. godine, Frebel je pokrenula novi tečaj, 8.S30 (Observational Stellar Archaeology), u kojem su studenti učili tehnike za analizu drevnih zvijezda, a zatim primijenili te alate na zvijezde koje nikada prije nisu proučavane, kako bi odredili njihovo podrijetlo.

"Dok se većina naših predavanja podučava od temelja, ovaj tečaj nas je odmah stavio na granicu istraživanja u astrofizici," kaže Andales.

Studenti su radili s podacima o zvijezdama koje je Frebel godinama prikupljala pomoću 6.5-metarskog teleskopa Magellan-Clay u opservatoriju Las Campanas. Ona čuva tvrde kopije podataka u velikoj fascikli u svom uredu, koju su studenti pregledavali u potrazi za zanimljivim zvijezdama.

Posebno su tražili drevne zvijezde koje su se formirale ubrzo nakon Velikog praska, koji se dogodio prije 13.8 milijardi godina. U to vrijeme, svemir je bio uglavnom sastavljen od vodika i helija te vrlo niskih koncentracija drugih kemijskih elemenata, kao što su stroncij i barij. Tako su studenti pregledavali Frebelinu fasciklu tražeći zvijezde sa spektrima, ili mjerenjima zvjezdane svjetlosti, koja su ukazivala na niske koncentracije stroncija i barija.

Njihova potraga suzila se na tri zvijezde koje su prvobitno promatrane teleskopom Magellan između 2013. i 2014. godine. Astronomi nikada nisu pratili te zvijezde kako bi interpretirali njihove spektre i utvrdili njihovo podrijetlo. Bile su, dakle, savršeni kandidati za studente na Frebelinom tečaju.

Studenti su naučili kako karakterizirati zvijezdu kako bi se pripremili za analizu spektra svake od tri zvijezde. Uspjeli su odrediti kemijski sastav svake koristeći različite zvjezdane modele. Intenzitet određenog obilježja u zvjezdanom spektru, koji odgovara specifičnoj valnoj duljini svjetlosti, odgovara određenoj koncentraciji specifičnog elementa.

Nakon što su finalizirali svoju analizu, studenti su mogli s povjerenjem zaključiti da su tri zvijezde imale vrlo niske koncentracije stroncija, barija i drugih elemenata poput željeza, u usporedbi s njihovom referentnom zvijezdom — našim Suncem. U stvari, jedna zvijezda je sadržavala manje od 1/10,000 količine željeza u odnosu na helij u usporedbi s Suncem danas.

"Provelo se puno sati gledajući u računalo, puno debuggiranja, paničnog slanja poruka i e-mailova kako bi se ovo shvatilo," prisjeća se Santos. "Bio je to veliki izazov u učenju i posebno iskustvo."

"U bijegu"
Niska kemijska koncentracija zvijezda sugerirala je da su se prvobitno formirale prije 12 do 13 milijardi godina. Zapravo, njihove niske kemijske karakteristike bile su slične onima koje su astronomi prethodno izmjerili za neke drevne, ultrafaint patuljaste galaksije. Jesu li zvijezde tima nastale u sličnim galaksijama? I kako su došle u Mliječnu stazu?

Znanstvenici su, vođeni intuicijom, provjerili orbite zvijezda i kako se kreću nebom. Tri zvijezde nalaze se na različitim mjestima u halou Mliječne staze i procjenjuje se da su udaljene oko 30,000 svjetlosnih godina od Zemlje. (Za usporedbu, disk Mliječne staze proteže se na 100,000 svjetlosnih godina.)

Kada su pratili kretanje svake zvijezde oko galaktičkog središta koristeći promatranja iz Gaia astrometrijskog satelita, tim je primijetio zanimljivu stvar: u odnosu na većinu zvijezda u glavnom disku, koje se kreću poput automobila na trkaćoj stazi, sve tri zvijezde činile su se da idu u suprotnom smjeru. U astronomiji, to je poznato kao "retrogradno kretanje" i pokazatelj je da je neki objekt nekada bio "akretiran," ili privučen odnekud drugdje.

"Jedini način na koji možete imati zvijezde koje idu u pogrešnom smjeru u odnosu na ostatak je da ih bacite na pogrešan način," kaže Frebel.

Činjenica da su ove tri zvijezde kružile na potpuno različite načine od ostatka galaktičkog diska, pa čak i haloa, u kombinaciji s činjenicom da su imale niske kemijske koncentracije, činila je snažan argument da su zvijezde doista drevne i da su nekada pripadale starijim, manjim patuljastim galaksijama koje su pale u Mliječnu stazu pod slučajnim kutovima i nastavile svoje tvrdoglave putanje milijardama godina kasnije.

Frebel, znatiželjna da li je retrogradno kretanje karakteristika drugih drevnih zvijezda u halou koje su astronomi prethodno analizirali, pregledala je znanstvenu literaturu i pronašla 65 drugih zvijezda, također s niskim koncentracijama stroncija i barija, koje su se također činile da idu protiv galaktičkog toka.

"Zanimljivo je da su sve prilično brze — stotine kilometara u sekundi, idu u pogrešnom smjeru," kaže Frebel. "One su u bijegu! Ne znamo zašto je to tako, ali to je bio dio slagalice koji nam je trebao, i koji nisam očekivala kad smo počeli."

Tim je željan istražiti druge drevne SASS zvijezde, i sada imaju relativno jednostavan recept kako to učiniti: prvo, potražite zvijezde s niskim kemijskim koncentracijama, a zatim pratite njihove orbite za znakove retrogradnog kretanja. Od više od 400 milijardi zvijezda u Mliječnoj stazi, očekuju da će metoda otkriti mali, ali značajan broj najstarijih zvijezda u svemiru.

Frebel planira ponovno pokrenuti tečaj ove jeseni, i gleda unazad na taj prvi tečaj, i tri studentice koje su svoje rezultate dovele do objavljivanja, s divljenjem i zahvalnošću.

"Bilo je sjajno raditi s tri studentice. To je za mene prvi put," kaže. "To je stvarno primjer MIT načina. Mi radimo. I tko god kaže, 'Želim sudjelovati,' može to učiniti, i dobre stvari se događaju."

Ovo istraživanje djelomično je podržano od strane Nacionalne zaklade za znanost.

Izvor: Massachusetts Institute of Technology