מוסתר בהילה: חוקרי MIT מגלים את הכוכבים העתיקים ביותר של היקום

אסטרונומים גילו שלושה כוכבים עתיקים מקיפים את שביל החלבהילה של, נוצרה לפני 12-13 מיליארד שנים.

MIT חוקרים גילו שלושה מהכוכבים העתיקים ביותר ביקום, והם חיים במקרה בשכונה הגלקטית שלנו.

הצוות, כולל כמה סטודנטים לתואר ראשון, הבחין בכוכבים ב"הילה" של שביל החלב – ענן הכוכבים שעוטף את כל הדיסק הגלקטי הראשי. בהתבסס על הניתוח של הצוות, שלושת הכוכבים נוצרו לפני בין 12 ל-13 מיליארד שנים, התקופה שבה הגלקסיות הראשונות התגבשו.

החוקרים טבעו את הכוכבים "SASS", עבור כוכבי מערכת כוכבים קטנה, שכן הם מאמינים שכל כוכב היה שייך פעם לגלקסיה הקטנה והפרימיטיבית שלו שנספגה מאוחר יותר על ידי שביל החלב הגדול יותר אך עדיין צומח. כיום, שלושת הכוכבים הם כל מה שנשאר מהגלקסיות שלהם. הם מקיפים את פאתי שביל החלב, שם הצוות חושד שיש עוד ניצולי כוכבים עתיקים כאלה.

שיטה חדשה לחקר כוכבים עתיקים

"הכוכבים העתיקים ביותר האלה בהחלט צריכים להיות שם, בהתחשב במה שאנחנו יודעים על היווצרות גלקסיות", אומרת פרופסור לפיזיקה ב-MIT, אנה פרבל. "הם חלק מאילן היוחסין הקוסמי שלנו. ועכשיו יש לנו דרך חדשה למצוא אותם".

כשהם חושפים כוכבי SASS דומים, החוקרים מקווים להשתמש בהם כאנלוגים של גלקסיות ננסיות קלושות במיוחד, שנחשבות לחלק מהגלקסיות הראשונות ששרדו ביקום. גלקסיות כאלה עדיין שלמות היום, אבל הן רחוקות וקלושות מכדי שאסטרונומים יוכלו לחקור אותן לעומקן. מכיוון שכוכבי SASS אולי היו שייכים פעם לגלקסיות ננסיות פרימיטיביות באופן דומה, אך נמצאים בשביל החלב וככאלה הרבה יותר קרובים, הם יכולים להיות מפתח נגיש להבנת האבולוציה של גלקסיות ננסיות חלשות במיוחד.

"עכשיו אנחנו יכולים לחפש אנלוגים נוספים בשביל החלב, שהם הרבה יותר בהירים, ולחקור את האבולוציה הכימית שלהם מבלי שנצטרך לרדוף אחרי הכוכבים הקלושים ביותר האלה", אומר פרבל.

היא ועמיתיה פרסמו את ממצאיהם ב-14 במאי ב- הודעות חודשיות של החברה המלכותית לאסטרונומיה (MNRAS). מחברי המחקר הם מוחמד מרדיני, מאוניברסיטת זרקא, בירדן; הילרי אנדלס 23'; ובוגרי MIT הנוכחיים אננדה סנטוס וקייסי פינברג.

קונספט כיתתי מוביל לגילוי מרכזי

התגליות של הצוות צמחו מתוך רעיון כיתתי. במהלך סמסטר סתיו 2022, השיק פרבל קורס חדש, 8.S30 (ארכיאולוגיה תצפיתית של כוכבים), בו למדו התלמידים טכניקות לניתוח כוכבים עתיקים ולאחר מכן יישמו את הכלים הללו על כוכבים שמעולם לא נחקרו קודם לכן, כדי לקבוע את מקורם.

"בעוד שרוב השיעורים שלנו נלמדים מהיסוד, השיעור הזה שם אותנו מיד בחזית המחקר באסטרופיזיקה", אומר אנדלס.

התלמידים עבדו מנתוני כוכבים שנאספו על ידי פרבל במהלך השנים מטלסקופ מגלן-קליי באורך 6.5 מטר במצפה הכוכבים של לאס קמפנס. היא שומרת עותקים קשיחים של הנתונים בקלסר גדול במשרדה, שהסטודנטים סרקו בו כדי לחפש כוכבים מעניינים.

בפרט, הם חיפשו כוכבים עתיקים שנוצרו זמן קצר לאחר מכן המפץ הגדול, שהתרחשה לפני 13.8 מיליארד שנים. בשלב זה, היקום היה עשוי ברובו ממימן והליום וכמות נמוכה מאוד של יסודות כימיים אחרים, כמו סטרונציום ובריום. אז, התלמידים חיפשו בקלסר של פרבל כוכבים עם ספקטרום, או מדידות של אור כוכבים, שהצביעו על שפע נמוך של סטרונציום ובריום.

ניתוח כוכבים עתיקים

החיפוש שלהם הצטמצם בשלושה כוכבים שנצפו במקור על ידי טלסקופ מגלן בין השנים 2013 ו-2014. אסטרונומים מעולם לא עקבו אחר הכוכבים המסוימים הללו כדי לפרש את הספקטרום שלהם ולהסיק את מקורם. הם היו, אם כן, מועמדים מושלמים עבור התלמידים בכיתתו של פרבל.

התלמידים למדו כיצד לאפיין כוכב על מנת להתכונן לניתוח הספקטרום של כל אחד משלושת הכוכבים. הם הצליחו לקבוע את ההרכב הכימי של כל אחד עם דגמי כוכבים שונים. עוצמתה של תכונה מסוימת בספקטרום הכוכבים, התואמת אורך גל מסוים של אור, מתאימה לשפע מסוים של יסוד ספציפי.

לאחר שסיימו את הניתוח שלהם, יכלו התלמידים להסיק בביטחון ששלושת הכוכבים אכן מכילים שפע נמוך מאוד של סטרונציום, בריום ויסודות אחרים כמו ברזל, בהשוואה לכוכב הייחוס שלהם – השמש שלנו. למעשה, כוכב אחד הכיל פחות מ-1/10,000 מכמות הברזל להליום בהשוואה לשמש כיום.

"זה לקח הרבה שעות בהייה במחשב, והרבה ניפוי באגים, שליחת הודעות טקסט והודעות דוא"ל זה לזה כדי להבין את זה", נזכר סנטוס. "זו הייתה עקומת למידה גדולה וחוויה מיוחדת".

"במנוסה"

השפע הכימי הנמוך של הכוכבים רמז שהם נוצרו במקור לפני 12 עד 13 מיליארד שנים. למעשה, החתימות הכימיות הנמוכות שלהם היו דומות למה שאסטרונומים מדדו בעבר עבור כמה גלקסיות ננסיות עתיקות וחלשות במיוחד. האם מקורם של כוכבי הצוות בגלקסיות דומות? ואיך הם הגיעו לשביל החלב?

על השערה, המדענים בדקו את דפוסי המסלול של הכוכבים וכיצד הם נעים על פני השמים. שלושת הכוכבים נמצאים במיקומים שונים ברחבי הילה של שביל החלב ומוערכים במרחק של כ-30,000 שנות אור מכדור הארץ. (לעיון, הדיסק של שביל החלב משתרע על פני 100,000 שנות אור.)

כשחזרו על תנועתו של כל כוכב על המרכז הגלקטי באמצעות תצפיות מהלוויין האסטרומטרי גאיה, הצוות הבחין בדבר מוזר: יחסית לרוב הכוכבים בדיסק הראשי, שנעים כמו מכוניות על מסלול מרוצים, נראה היה ששלושת הכוכבים הם הולך בדרך הלא נכונה. באסטרונומיה, זה ידוע בשם "תנועה לאחור" והוא סימן לכך שעצם היה פעם "נצבר" או נמשך ממקום אחר.

"הדרך היחידה שבה אתה יכול לגרום לכוכבים ללכת בדרך הלא נכונה משאר החבורה היא אם תזרוק אותם בדרך הלא נכונה", אומר פרבל.

סיכויי עתיד ומחקר

העובדה ששלושת הכוכבים הללו סובבו בדרכים שונות לחלוטין משאר הדיסק הגלקטי ואפילו מההילה, בשילוב עם העובדה שהם החזיקו בשפע כימי נמוך, הוכיחו כי הכוכבים אכן היו עתיקים ופעם היו שייכים למבוגרים יותר. , גלקסיות ננסיות קטנות יותר שנפלו לתוך שביל החלב בזוויות אקראיות והמשיכו את מסלולן העיקש מיליארדי שנים מאוחר יותר.

פרבל, סקרן לדעת האם תנועה לאחור הייתה תכונה של כוכבים עתיקים אחרים בהילה שאסטרונומים ניתחו בעבר, עיין בספרות המדעית ומצא 65 כוכבים אחרים, גם הם בעלי שפע נמוך של סטרונציום ובריום, שנראה כי גם הם נוגדים את זרימה גלקטית.

"מעניין שכולם די מהירים – מאות קילומטרים לשנייה, הולכים בדרך הלא נכונה", אומר פרבל. "הם במנוסה! אנחנו לא יודעים למה זה המקרה, אבל זה היה החלק בפאזל שהיינו צריכים, ושלא כל כך צפיתי כשהתחלנו".

הצוות להוט לחפש כוכבי SASS עתיקים אחרים, וכעת יש להם מתכון פשוט יחסית לעשות זאת: ראשית, חפש כוכבים עם שפע כימי נמוך, ולאחר מכן עקוב אחר דפוסי המסלול שלהם לאיתור סימנים של תנועה לאחור. מתוך יותר מ-400 מיליארד כוכבים בשביל החלב, הם צופים שהשיטה תציג מספר קטן אך משמעותי מהכוכבים העתיקים ביותר ביקום.

פרבל מתכנן להשיק מחדש את הכיתה בסתיו הקרוב, ומסתכל אחורה על הקורס הראשון ההוא, ועל שלושת הסטודנטים שהעבירו את תוצאותיהם לפרסום, בהערצה ותודה.

"זה היה מדהים לעבוד עם שלוש נשים בתואר ראשון. זו התחלה עבורי", היא אומרת. "זו באמת דוגמה לדרך MIT. אנחנו עושים. ומי שאומר 'אני רוצה להשתתף', הוא יכול לעשות את זה, ודברים טובים קורים".

מחקר זה נתמך, בין השאר, על ידי הקרן הלאומית למדע.