麻省理工学院的研究人员在我们自己的银河系后院发现了宇宙中最古老的恒星

发布时间：2024-06-17 15:45:02 栏目：精选百科

导读 麻省理工学院的研究人员，包括几名本科生，发现了宇宙中最古老的三颗恒星，而它们恰好位于我们自己的银河系附近。研究小组在银河系的光晕中...

麻省理工学院的研究人员，包括几名本科生，发现了宇宙中最古老的三颗恒星，而它们恰好位于我们自己的银河系附近。



研究小组在银河系的“光晕”中发现了这些恒星——“光晕”是一团恒星云，包裹着整个主银河盘。根据研究小组的分析，这三颗恒星形成于 120 亿至 130 亿年前，当时第一批星系正在形成。

研究人员将这些恒星命名为“SASS”，即小吸积恒星系统恒星，因为他们认为每颗恒星都曾属于一个小型原始星系，后来被更大但仍在成长的银河系吸收。如今，这三颗恒星是各自星系仅存的恒星。它们环绕着银河系的边缘，研究小组怀疑那里可能还有更多这样的古老恒星幸存者。

麻省理工学院物理学教授安娜·弗雷贝尔 (Anna Frebel) 表示：“根据我们对星系形成的了解，这些最古老的恒星肯定存在。它们是我们宇宙家族树的一部分。现在我们有了新的方法来寻找它们。”

随着研究人员发现类似的 SASS 恒星，他们希望将它们用作超暗矮星系的类似物，超暗矮星系被认为是宇宙中幸存的第一批星系之一。这些星系至今仍完好无损，但距离太远，太暗，天文学家无法深入研究。由于 SASS 恒星可能曾经属于类似的原始矮星系，但它们位于银河系中，因此距离更近，因此它们可能是了解超暗矮星系演化的一把钥匙。

“现在我们可以在银河系中寻找更多更明亮的类似恒星，并研究它们的化学演变，而不必追逐这些极其暗淡的恒星，”弗雷贝尔说。

她和同事 今天在《皇家天文学会月刊》(MNRAS) 上 发表了他们的研究成果。这项研究的合著者包括约旦扎尔卡大学的穆罕默德·马尔迪尼、23 届的希拉里·安达莱斯以及麻省理工学院现任本科生阿南达·桑托斯和凯西·芬伯格。

恒星边界

该团队的发现源于课堂概念。在 2022 年秋季学期，弗雷贝尔开设了一门新课程 8.S30 (观测恒星考古学)，学生可以在这门课程中学习分析古代恒星的技术，然后将这些工具应用于从未研究过的恒星，以确定它们的起源。

安达莱斯说：“虽然我们的大多数课程都是从头开始讲的，但这门课程让我们立即走在了天体物理学研究的前沿。”

学生们利用弗雷贝尔多年来从拉斯坎帕纳斯天文台的 6.5 米麦哲伦-克莱望远镜收集的恒星数据开展研究。弗雷贝尔将这些数据的硬拷贝保存在办公室的一个大活页夹中，学生们可以仔细翻阅这些数据以寻找感兴趣的恒星。

具体来说，他们正在寻找 138 亿年前大爆炸后不久形成的古老恒星。当时，宇宙主要由氢和氦组成，其他化学元素(如锶和钡)的丰度非常低。因此，学生们在弗雷贝尔的活页夹中寻找光谱或星光测量结果表明锶和钡丰度较低的恒星。

他们的搜索范围缩小到了 2013 年至 2014 年间麦哲伦望远镜最初观测到的三颗恒星。天文学家从未跟踪这些恒星，以解释它们的光谱并推断它们的起源。因此，它们成为了弗雷贝尔班上学生的完美候选对象。

学生们学习了如何描述恒星，以便为分析三颗恒星的光谱做准备。他们能够用各种恒星模型确定每颗恒星的化学成分。恒星光谱中特定特征的强度对应于特定波长的光，对应于特定元素的特定丰度。

在完成分析后，学生们自信地得出结论，与参考恒星——我们的太阳相比，这三颗恒星的锶、钡和其他元素(如铁)的丰度确实非常低。事实上，其中一颗恒星的铁与氦的含量还不到如今太阳的 1/10,000。

“我花了很多时间盯着电脑，调试了好久，疯狂地发短信和发邮件才搞定，”桑托斯回忆道。“这是一个巨大的学习过程，也是一次特别的经历。”

“在运行”

这些恒星的低化学丰度确实暗示它们最初形成于 120 亿至 130 亿年前。事实上，它们的低化学特征与天文学家之前测量的一些古老、极暗的矮星系的化学特征相似。该团队的恒星是否起源于类似的星系?它们是如何来到银河系的?

科学家们凭直觉检查了这些恒星的轨道模式以及它们在天空中的移动方式。这三颗恒星位于银河系光晕的不同位置，估计距离地球约 30,000 光年。(作为参考，银河系的圆盘跨度为 100,000 光年。)

当他们利用盖亚天文测量卫星的观测数据追溯每颗恒星绕银河系中心的运动时，研究小组注意到一个奇怪的现象：相对于主盘中像赛道上的赛车一样移动的大多数恒星，这三颗恒星似乎都走错了方向。在天文学中，这被称为“逆行运动”，是物体曾经被“吸积”或从其他地方吸入的提示。

弗雷贝尔说：“如果明星们与其他明星走上了不同的道路，那唯一的办法就是把他们推向错误的方向。”

事实上，这三颗恒星的轨道与银河系其他部分，甚至银河系晕的轨道都完全不同，再加上它们的化学丰度较低，这些都充分表明，这些恒星确实非常古老，曾经属于更古老、更小的矮星系，这些矮星系以随机角度落入银河系，并在数十亿年后继续沿着它们顽固的轨迹运行。

弗雷贝尔很好奇逆行运动是否是天文学家先前分析过的光晕中其他古老恒星的特征，因此他查阅了科学文献，发现了另外 65 颗恒星，它们的锶和钡含量也很低，似乎也在逆着银河系流动。

“有趣的是，它们的速度都非常快——每秒数百公里，而且走错了方向，”弗雷贝尔说。“它们在逃亡!我们不知道为什么会这样，但这是我们需要的拼图碎片，而我刚开始时并没有完全预料到。”

该团队迫切希望找到其他古老的 SASS 恒星，现在他们有一个相对简单的方法：首先，寻找化学丰度较低的恒星，然后跟踪它们的轨道模式以寻找逆行运动的迹象。在银河系的 4000 多亿颗恒星中，他们预计这种方法将发现数量不多但意义重大的宇宙最古老恒星。

弗雷贝尔计划今年秋天重新开设这门课程，并满怀钦佩和感激地回顾了第一门课程以及三名将他们的成果发表出来的学生。

“能与三名女本科生一起工作真是太棒了。这对我来说还是第一次，”她说。“这确实是麻省理工学院方式的一个例子。我们就是这样。无论谁说‘我想参加’，他们都可以这样做，而且会有好结果。”

这项研究得到了国家科学基金会的部分资助。