Peneliti dari MIT telah menemukan bintang tertua di alam semesta

Para astronom telah menemukan tiga bintang kuno yang mengorbit planet Bumi Bima SaktiHalo terbentuk 12-13 miliar tahun yang lalu.

Institut Teknologi Massachusetts Para peneliti telah menemukan tiga bintang tertua di alam semesta, dan mereka kebetulan tinggal di lingkungan galaksi kita.

Tim tersebut, yang terdiri dari beberapa mahasiswa sarjana, menemukan bintang-bintang di “halo” Bima Sakti – awan bintang yang menutupi seluruh piringan galaksi utama. Berdasarkan analisis tim, ketiga bintang tersebut terbentuk antara 12 dan 13 miliar tahun lalu, saat galaksi pertama terbentuk.

Para peneliti menamai bintang-bintang kecil yang bertambah di sistem tersebut dengan nama “SASS”, karena mereka percaya setiap bintang pernah menjadi anggota galaksi primordialnya yang kecil dan diserap oleh Bima Sakti yang lebih besar dan masih berkembang. Saat ini, hanya tiga bintang yang tersisa dari galaksi mereka. Mereka mengorbit di pinggiran Bima Sakti, tempat tim menduga mungkin ada lebih banyak bintang purba yang selamat.

Sebuah cara baru untuk mempelajari bintang-bintang kuno

“Bintang-bintang tua ini pasti ada di luar sana, mengingat apa yang kita ketahui tentang pembentukan galaksi,” kata Anna Frebel, profesor fisika di MIT. “Mereka adalah bagian dari pohon keluarga kosmik kita. Kini kita memiliki cara baru untuk menemukannya.”

Saat mereka menemukan bintang SASS serupa, para peneliti berharap dapat menggunakannya sebagai pengganti galaksi katai ultra-redup, yang diyakini sebagai salah satu galaksi pertama yang masih bertahan di alam semesta. Galaksi-galaksi tersebut tetap utuh hingga saat ini, namun jaraknya terlalu jauh dan redup bagi para astronom untuk mempelajarinya secara mendalam. Karena bintang-bintang SASS mungkin dulunya berasal dari galaksi kerdil primordial yang serupa, namun berada di Bima Sakti dan karena itu lebih dekat, maka bintang-bintang SASS mungkin merupakan kunci yang dapat diakses untuk memahami evolusi galaksi katai ultra-redup.

Para peneliti menyimpan file penuh data tentang bintang-bintang yang mereka kumpulkan selama bertahun-tahun, termasuk kecerahan bintang-bintang dari waktu ke waktu. Dari kiri ke kanan: Ananda Santos, Casey Feinberg, dan Anna Frebel. Kredit: Atas perkenan para peneliti

“Sekarang kita dapat mencari lebih banyak analog di Bima Sakti, yang jauh lebih terang, dan mempelajari evolusi kimianya tanpa harus mengejar bintang-bintang yang sangat redup ini,” kata Friebel.

Dia dan rekan-rekannya mempublikasikan temuan mereka pada 14 Mei di jurnal Pemberitahuan Bulanan Royal Astronomical Society (MNRAS). Rekan penulis penelitian ini adalah Muhammad Mardini, dari Universitas Zarqa di Yordania; Hillary Andalis ’23; dan mahasiswa sarjana MIT saat ini Ananda Santos dan Casey Feinberg.

Konsep ruang kelas mengarah pada penemuan besar

Penemuan tim berasal dari konsep ruang kelas. Selama semester musim gugur 2022, Fripple meluncurkan kursus baru, 8.S30 (Observational Stellar Archaeology), di mana siswa mempelajari teknik analisis bintang kuno dan kemudian menerapkan alat tersebut pada bintang yang belum pernah dipelajari sebelumnya, untuk menentukan asal usulnya.

“Meskipun sebagian besar kelas kami diajarkan dari awal, kelas ini segera menempatkan kami di garis depan dalam penelitian astrofisika,” kata Andalis.

Para siswa bekerja dengan data bintang yang dikumpulkan Friebel selama bertahun-tahun dari Teleskop Magellan-Clay setinggi 6,5 meter di Observatorium Las Campanas. Dia menyimpan salinan kertas dari data tersebut dalam sebuah file besar di kantornya, yang telah disisir oleh para siswa untuk mencari bintang yang diminati.

Secara khusus, mereka mencari bintang kuno yang terbentuk tak lama setelah Paleolitikum ledakan besar ituYang terjadi 13,8 miliar tahun yang lalu. Saat ini, alam semesta sebagian besar terdiri dari hidrogen dan helium serta persentase unsur kimia lainnya yang sangat rendah, seperti strontium dan barium. Jadi, para siswa mencari file Friebel untuk mencari bintang dengan spektrum, atau pengukuran cahaya bintang, yang menunjukkan rendahnya kelimpahan strontium dan barium.

Analisis bintang kuno

Mereka mempersempit pencarian mereka menjadi tiga bintang yang awalnya diamati oleh teleskop Magellan antara tahun 2013 dan 2014. Para astronom tidak pernah mengikuti bintang-bintang ini secara khusus untuk menafsirkan spektrumnya dan menyimpulkan asal usulnya. Oleh karena itu, mereka adalah kandidat ideal untuk siswa di kelas Friebel.

Siswa belajar bagaimana mengkarakterisasi sebuah bintang untuk mempersiapkan analisis spektral masing-masing dari tiga bintang. Mereka mampu menentukan komposisi kimia masing-masing menggunakan model bintang yang berbeda. Intensitas fitur tertentu dalam spektrum bintang, sesuai dengan panjang gelombang cahaya tertentu, sesuai dengan kelimpahan unsur tertentu.

Setelah menyelesaikan analisis mereka, para siswa dapat dengan yakin menyimpulkan bahwa ketiga bintang tersebut mengandung strontium, barium, dan unsur lain seperti besi dalam jumlah yang sangat rendah, dibandingkan dengan bintang referensi mereka – Matahari kita. Faktanya, satu bintang mengandung kurang dari 1/10.000 jumlah besi hingga helium dibandingkan Matahari saat ini.

“Butuh waktu berjam-jam menatap komputer, banyak melakukan debugging, dan dengan panik mengirim SMS dan email untuk mengetahuinya,” kenang Santos. “Itu adalah pembelajaran besar dan pengalaman istimewa.”

“syarat”

Kelimpahan kimia yang rendah pada bintang-bintang menunjukkan bahwa mereka awalnya terbentuk 12 hingga 13 miliar tahun yang lalu. Faktanya, tanda kimia rendahnya serupa dengan apa yang sebelumnya diukur para astronom pada beberapa galaksi katai kuno yang sangat redup. Apakah bintang-bintang tim tersebut berasal dari galaksi serupa? Bagaimana mereka mencapai Bima Sakti?

Berdasarkan firasat mereka, para ilmuwan meneliti pola orbit bintang dan cara mereka bergerak melintasi langit. Ketiga bintang tersebut terletak di lokasi berbeda di seluruh lingkaran cahaya Bima Sakti, dan diperkirakan berjarak sekitar 30.000 tahun cahaya dari Bumi. (Sebagai referensi, piringan Galaksi Bima Sakti berukuran 100.000 tahun cahaya.)

Ketika mereka melacak pergerakan setiap bintang di sekitar pusat galaksi menggunakan pengamatan dari satelit astronomi Gaia, tim menemukan sesuatu yang aneh: Untuk sebagian besar bintang di piringan utama, yang bergerak seperti mobil di trek balap, ketiga bintang tersebut tampak seperti bintang. menjadi sama. Anda salah jalan. Dalam astronomi, hal ini dikenal sebagai “gerakan mundur” dan merupakan indikasi bahwa suatu benda telah “berakumulasi” atau ditarik dari tempat lain.

“Satu-satunya cara agar bintang-bintang bergerak ke arah yang salah dari anggota geng lainnya adalah dengan melemparkannya ke arah yang salah,” kata Friebel.

Prospek dan penelitian masa depan

Fakta bahwa ketiga bintang ini mengorbit dengan cara yang sangat berbeda dari piringan galaksi lainnya dan bahkan halo, dikombinasikan dengan fakta bahwa ketiga bintang tersebut memiliki kelimpahan kimia yang rendah, memberikan bukti kuat bahwa bintang-bintang tersebut memang kuno dan pernah menjadi milik galaksi. bintang yang lebih tua. Mereka adalah galaksi katai kecil yang jatuh ke dalam Bima Sakti pada sudut yang acak dan melanjutkan jalurnya yang sulit miliaran tahun kemudian.

Frebel tertarik untuk mengetahui apakah gerakan retrograde merupakan ciri bintang kuno lainnya dalam halo yang telah dianalisis para astronom sebelumnya, jadi dia mencari literatur ilmiah dan menemukan 65 bintang lainnya, juga mengandung strontium dan barium dalam jumlah rendah, yang juga tampaknya juga hilang. menentang teori tersebut. aliran galaksi.

“Sangat menarik bahwa mereka semua sangat cepat; ratusan kilometer per detik, menuju ke arah yang salah,” kata Fripple. “Mereka sedang dalam pelarian! Kami tidak tahu mengapa hal ini terjadi, tapi itu adalah bagian dari teka-teki yang kami perlukan, dan hal yang tidak saya duga ketika kami memulainya.”

Tim ini sangat ingin mencari bintang SASS kuno lainnya, dan mereka sekarang memiliki resep yang relatif sederhana untuk melakukannya: pertama, mencari bintang dengan kelimpahan kimia rendah, kemudian menelusuri pola orbitnya untuk mencari tanda-tanda gerakan mundur. Dari lebih dari 400 miliar bintang di Bima Sakti, mereka memperkirakan metode ini akan menghasilkan sejumlah kecil bintang tertua di alam semesta, namun jumlahnya signifikan.

Fripple berencana untuk meluncurkan kembali kelas tersebut pada musim gugur ini, dan melihat kembali kursus pertama, dan tiga siswa yang membawa hasilnya untuk dipublikasikan, dengan kekaguman dan rasa terima kasih.

“Sangat menyenangkan bisa bekerja dengan tiga mahasiswi. Ini adalah pertama kalinya bagi saya,” katanya. “Ini benar-benar contoh cara MIT. Kami melakukannya. Siapa pun yang mengatakan: Saya ingin berpartisipasi, dapat melakukannya, dan hal-hal baik akan terjadi.

Referensi: “Bintang tertua dengan kelimpahan unsur penangkap neutron yang rendah dan asal usulnya dari galaksi kerdil kuno” oleh Hilary Diane Andalis, Ananda Santos Figueiredo, Casey Gordon Feinberg, Muhammad K. Mardini, dan Anna Friebel, 14 Mei 2024, Pemberitahuan Bulanan Royal Astronomical Society.
doi: 10.1093/mnras/stae670

Penelitian ini sebagian didukung oleh National Science Foundation.