Các nhà thiên văn học của MIT đã phát hiện ra ba trong số những ngôi sao lâu đời nhất trong vũ trụ, sống trong khu vực thiên hà của chúng ta. Các ngôi sao nằm trong “quầng sáng” của Dải Ngân hà – đám mây sao bao quanh đĩa thiên hà chính – và dường như đã hình thành từ 12 đến 13 tỷ năm trước, khi các thiên hà đầu tiên đang hình thành. Tín dụng: Serge Prunier. NASA
Các nhà thiên văn học phát hiện ba ngôi sao cổ quay quanh hành tinh Trái đất dải Ngân HàMột quầng sáng hình thành cách đây 12-13 tỷ năm.
Viện Công nghệ Massachusetts Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra ba trong số những ngôi sao lâu đời nhất trong vũ trụ và chúng tình cờ sống trong khu vực thiên hà của chúng ta.
Nhóm nghiên cứu, bao gồm một số sinh viên đại học, đã phát hiện ra các ngôi sao trong “quầng sáng” của Dải Ngân hà – đám mây sao bao phủ toàn bộ đĩa thiên hà chính. Dựa trên phân tích của nhóm, ba ngôi sao được hình thành từ 12 đến 13 tỷ năm trước, thời điểm các thiên hà đầu tiên hình thành.
Các nhà nghiên cứu đặt tên cho các ngôi sao nhỏ đang bồi tụ của hệ thống là “SASS”, vì họ tin rằng mỗi ngôi sao từng thuộc về thiên hà nguyên thủy nhỏ của chính nó và đã bị hấp thụ bởi Dải Ngân hà lớn hơn vẫn đang phát triển. Ngày nay, ba ngôi sao là tất cả những gì còn sót lại trong thiên hà của chúng. Họ quay quanh vùng ngoại ô của Dải Ngân hà, nơi nhóm nghiên cứu nghi ngờ có thể có nhiều ngôi sao cổ xưa sống sót hơn.
Một cách mới để nghiên cứu các ngôi sao cổ đại
Anna Frebel, giáo sư vật lý tại MIT, cho biết: “Những ngôi sao già hơn này chắc chắn tồn tại ở ngoài kia, dựa trên những gì chúng ta biết về sự hình thành thiên hà”. “Chúng là một phần trong cây phả hệ vũ trụ của chúng ta. Giờ đây chúng ta có một cách mới để tìm ra chúng.”
Khi phát hiện ra những ngôi sao SASS tương tự, các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ sử dụng chúng làm bản sao cho các thiên hà lùn siêu mờ, được cho là một trong những thiên hà đầu tiên còn sót lại trong vũ trụ. Những thiên hà như vậy vẫn còn nguyên vẹn cho đến ngày nay, nhưng chúng quá xa và mờ nhạt để các nhà thiên văn học có thể nghiên cứu sâu về chúng. Vì các sao SASS có thể đã từng thuộc về các thiên hà lùn nguyên thủy tương tự nhưng nằm trong Dải Ngân hà và do đó gần hơn nhiều, nên chúng có thể là chìa khóa dễ tiếp cận để tìm hiểu sự tiến hóa của các thiên hà lùn cực mờ.
Các nhà nghiên cứu lưu giữ một tập tin chứa đầy dữ liệu về các ngôi sao mà họ đã thu thập trong nhiều năm, bao gồm cả độ sáng của các ngôi sao theo thời gian. Từ trái sang phải: Ananda Santos, Casey Feinberg và Anna Frebel. Tín dụng: Được phép của các nhà nghiên cứu
“Bây giờ chúng ta có thể tìm kiếm nhiều chất tương tự hơn trong Dải Ngân hà, chúng sáng hơn nhiều và nghiên cứu quá trình tiến hóa hóa học của chúng mà không cần phải đuổi theo những ngôi sao rất mờ nhạt này,” Friebel nói.
Cô và các đồng nghiệp đã công bố phát hiện của họ vào ngày 14 tháng 5 trên tạp chí Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia (MNRAS). Đồng tác giả của nghiên cứu là Muhammad Mardini, thuộc Đại học Zarqa ở Jordan; Hillary Andalis '23; và các sinh viên hiện tại của MIT là Ananda Santos và Casey Feinberg.
Khái niệm lớp học dẫn đến một khám phá lớn
Những khám phá của nhóm bắt nguồn từ khái niệm lớp học. Trong học kỳ mùa thu năm 2022, Fripple đã triển khai một khóa học mới, 8.S30 (Khảo cổ học Sao quan sát), trong đó sinh viên học các kỹ thuật phân tích sao cổ đại và sau đó áp dụng những công cụ đó vào các ngôi sao chưa được nghiên cứu trước đó để xác định nguồn gốc của chúng.
Andalis nói: “Mặc dù hầu hết các lớp học của chúng tôi đều được dạy từ đầu, nhưng lớp học này ngay lập tức đưa chúng tôi đi đầu trong nghiên cứu về vật lý thiên văn”.
Các sinh viên đã làm việc với dữ liệu về các ngôi sao mà Friebel đã thu thập trong nhiều năm từ Kính viễn vọng Magellan-Clay 6,5 mét tại Đài thiên văn Las Campanas. Cô ấy giữ các bản sao dữ liệu bằng giấy trong một tập tài liệu lớn ở văn phòng của mình, nơi các sinh viên đã xem qua để tìm kiếm những ngôi sao quan tâm.
Đặc biệt, họ đang tìm kiếm những ngôi sao cổ được hình thành ngay sau thời kỳ đồ đá cũ. vụ nổ lớnĐiều đó đã xảy ra cách đây 13,8 tỷ năm. Vào thời điểm này, vũ trụ bao gồm chủ yếu là hydro và heli và tỷ lệ rất thấp các nguyên tố hóa học khác, chẳng hạn như strontium và barium. Vì vậy, các sinh viên đã tìm kiếm trong hồ sơ của Friebel các ngôi sao có quang phổ hoặc các phép đo ánh sáng sao cho thấy hàm lượng strontium và barium ở mức thấp.
Phân tích các ngôi sao cổ đại
Họ thu hẹp phạm vi tìm kiếm của mình xuống còn ba ngôi sao được kính thiên văn Magellan quan sát ban đầu từ năm 2013 đến năm 2014. Các nhà thiên văn học chưa bao giờ theo dõi cụ thể những ngôi sao này để giải thích quang phổ của chúng và suy ra nguồn gốc của chúng. Do đó, họ là những ứng cử viên lý tưởng cho các học sinh trong lớp của Friebel.
Học sinh đã học cách mô tả đặc điểm của một ngôi sao để chuẩn bị cho việc phân tích quang phổ của từng ngôi sao trong số ba ngôi sao. Họ có thể xác định thành phần hóa học của từng loại bằng cách sử dụng các mô hình sao khác nhau. Cường độ của một đặc điểm nhất định trong quang phổ của sao, tương ứng với một bước sóng ánh sáng nhất định, tương ứng với độ phong phú nhất định của một nguyên tố nhất định.
Sau khi hoàn thành phân tích, các sinh viên có thể tự tin kết luận rằng ba ngôi sao chứa lượng strontium, bari và các nguyên tố khác như sắt rất thấp so với ngôi sao tham chiếu của chúng – Mặt trời của chúng ta. Trên thực tế, một ngôi sao chứa lượng sắt thành heli ít hơn 1/10.000 so với lượng sắt chứa trong Mặt trời ngày nay.
Santos nhớ lại: “Phải mất nhiều giờ nhìn chằm chằm vào máy tính, sửa lỗi rất nhiều, nhắn tin và gửi email điên cuồng để tìm ra cách giải quyết. “Đó là một chặng đường học tập lớn và một trải nghiệm đặc biệt.”
“thuật ngữ”
Hàm lượng hóa học thấp của các ngôi sao cho thấy chúng ban đầu được hình thành cách đây 12 đến 13 tỷ năm. Trên thực tế, dấu hiệu hóa học thấp của nó tương tự như những gì các nhà thiên văn học đã đo trước đây đối với một số thiên hà lùn cổ đại, cực mờ. Các ngôi sao của đội có nguồn gốc từ các thiên hà tương tự không? Làm thế nào mà họ đến được Dải Ngân hà?
Dựa trên linh cảm của mình, các nhà khoa học đã kiểm tra mô hình quỹ đạo của các ngôi sao và cách chúng di chuyển trên bầu trời. Ba ngôi sao nằm ở những vị trí khác nhau trong quầng sáng của Dải Ngân hà và ước tính cách Trái đất khoảng 30.000 năm ánh sáng. (Để tham khảo, đĩa của Dải Ngân hà trải rộng 100.000 năm ánh sáng.)
Khi họ theo dõi chuyển động của từng ngôi sao xung quanh trung tâm thiên hà bằng cách sử dụng các quan sát từ vệ tinh thiên văn Gaia, nhóm nghiên cứu nhận thấy một điều kỳ lạ: Đối với hầu hết các ngôi sao trong đĩa chính, chuyển động giống như những chiếc ô tô trên đường đua, cả ba ngôi sao dường như đều giống nhau. giống nhau. Bạn đang đi sai đường. Trong thiên văn học, hiện tượng này được gọi là “chuyển động ngược dòng” và là dấu hiệu cho thấy một vật thể đã được “tích tụ” hoặc bị kéo từ một nơi khác.
Friebel nói: “Cách duy nhất bạn có thể khiến các ngôi sao đi sai hướng so với những người còn lại trong nhóm là ném chúng đi sai hướng”.
Triển vọng và nghiên cứu trong tương lai
Thực tế là ba ngôi sao này quay quanh những cách rất khác so với phần còn lại của đĩa thiên hà và thậm chí cả quầng sáng, kết hợp với thực tế là chúng có hàm lượng hóa học thấp, tạo nên một bằng chứng thuyết phục rằng các ngôi sao thực sự cổ xưa và từng thuộc về chúng. những ngôi sao già hơn. Chúng là những thiên hà lùn nhỏ hơn rơi vào Dải Ngân hà ở những góc ngẫu nhiên và tiếp tục con đường cứng đầu của chúng hàng tỷ năm sau đó.
Frebel quan tâm đến việc biết liệu chuyển động nghịch hành có phải là một đặc điểm của các ngôi sao cổ xưa khác trong quầng sáng mà các nhà thiên văn học đã phân tích trước đó hay không, vì vậy ông đã tìm kiếm tài liệu khoa học và tìm thấy 65 ngôi sao khác, cũng chứa hàm lượng strontium và bari rất thấp, dường như cũng chuyển động ngược dòng. chống lại lý thuyết. dòng chảy thiên hà.
Fripple nói: “Thật thú vị khi tất cả chúng đều chạy rất nhanh, hàng trăm km/giây, đi sai hướng”. “Họ đang chạy trốn! Chúng tôi không biết tại sao điều này lại xảy ra, nhưng đó là mảnh ghép mà chúng tôi cần và là mảnh ghép mà tôi không hề mong đợi khi chúng tôi bắt đầu.”
Nhóm nghiên cứu đang háo hức tìm kiếm những ngôi sao SASS cổ đại khác và giờ đây họ có một công thức tương đối đơn giản để làm điều đó: đầu tiên, tìm kiếm những ngôi sao có lượng hóa chất thấp, sau đó theo dõi mô hình quỹ đạo của chúng để tìm dấu hiệu chuyển động lùi. Trong số hơn 400 tỷ ngôi sao trong Dải Ngân hà, họ hy vọng phương pháp này sẽ tạo ra một số lượng nhỏ nhưng đáng kể các ngôi sao già nhất của vũ trụ.
Fripple có kế hoạch tổ chức lại lớp học vào mùa thu này, đồng thời nhìn lại khóa học đầu tiên cũng như ba học sinh đã công bố kết quả của mình với sự ngưỡng mộ và biết ơn.
Cô nói: “Thật tuyệt vời khi được làm việc với ba nữ sinh viên chưa tốt nghiệp. Đây thực sự là một ví dụ về cách làm của MIT. Chúng tôi làm vậy. Ai nói: Tôi muốn tham gia thì làm được, điều tốt đẹp sẽ xảy ra.
Tham khảo: “Những ngôi sao già nhất có lượng nguyên tố bắt neutron dồi dào và nguồn gốc của chúng trong các thiên hà lùn cổ đại” của Hilary Diane Andalis, Ananda Santos Figueiredo, Casey Gordon Feinberg, Muhammad K. Mardini và Anna Friebel, ngày 14 tháng 5 năm 2024, Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia.
doi: 10.1093/mnras/stae670
Nghiên cứu này được hỗ trợ một phần bởi Quỹ khoa học quốc gia.