Самые старые звезды Вселенной найдены у нас "под боком"

Астрофизики обнаружили одни из старейших звезд во Вселенной, и так случилось, что они живут в нашем галактическом соседстве.

Об открытии рассказывают в Массачусетском технологическом институте (MIT), передают OstanniPodii.com.

Команда исследователей заметила звезды в "гало" Млечного Пути -- облаке звезд, которое окутывает весь главный галактический диск. Согласно их анализу, эти три звезды образовались между 12 и 13 миллиардами лет назад, в то время, когда формировались самые первые галактики.

Исследователи назвали эти звезды "SASS", что означает звезды "малой звездной системы, подвергшейся аккреции", поскольку считают, что каждая из них когда-то принадлежала к собственной маленькой примитивной галактике; и такие галактики когда-то были поглощены большим, но все ещё растущим Млечным Путем. Сегодня эти три звезды -- это все, что осталось от их галактик. Они вращаются вокруг окрестностей Млечного Пути, где, как подозревает команда, может быть больше таких уцелевших древних звезд.

"Эти старейшие звезды, безусловно, должны быть там, учитывая то, что мы знаем о формировании галактик", - говорит профессор физики MIT Анна Фребель. "Они являются частью нашего космического генеалогического дерева. И теперь у нас есть новый способ их обнаружить".

Открывая такие звезды SASS, исследователи надеются использовать их как аналоги ультратусклых карликовых галактик, которые, как считается, являются одними из первых уцелевших галактик Вселенной. Такие галактики сохранились невредимыми до сегодняшнего дня, но они слишком далеки и тусклы для того, чтобы астрономы могли их изучать детально. Поскольку звезды SASS, возможно, когда-то принадлежали к подобным примитивным карликовым галактикам, но находятся в Млечном Пути -- а значит, гораздо ближе -- они могут быть доступной подсказкой к пониманию эволюции сверхтусклых карликовых галактик.

"Теперь мы можем искать больше аналогов в Млечном Пути, которые гораздо ярче, и изучать их химическую эволюцию без необходимости гоняться за этими чрезвычайно тусклыми звездами", - говорит Фребель.

Она и ее коллеги опубликовали свои выводы в журнале "Ежемесячные сообщения Королевского астрономического общества" (MNRAS). Соавторами исследования являются Мохаммад Мардини из Университета Зарка в Иордании, прошлогодняя выпускница MIT Хиллари Андалес и нынешние студенты MIT Ананда Сантос и Кейси Финберг.

Звездный предел

Открытия команды выросли из аудитории. Во время осеннего семестра 2022 года Фребель запустила новый курс "Наблюдательная звездная археология", на котором студенты изучали методы анализа древних звезд, а затем применяли эти инструменты к тем звездам, которые никогда ранее не изучались с целью определения их происхождения.

Студенты работали с данными о звездах, собранными Фребель в течение многих лет с помощью 6,5-метрового телескопа Магеллан-Клей в обсерватории Лас-Кампанас. Она хранит печатные копии данных в большой папке в своем кабинете, и студенты перебирали эти данные в поисках интересующих их звезд.

В частности, они искали древние звезды, которые образовались вскоре после Большого взрыва, произошедшего 13,8 миллиарда лет назад. В это время Вселенная состояла преимущественно из водорода и гелия, а другие химические элементы, такие как стронций и барий, были очень малочисленными. Поэтому студенты искали в подшивке Фребель звезды со спектрами, или измерениями звездного света, которые указывали на низкое содержание стронция и бария.

Их поиск сузился до трех звезд, которые впервые наблюдались телескопом "Магеллан" в 2013-2014 годах. Астрономы никогда не следили за этими звездами, чтобы интерпретировать их спектры и определить их происхождение. Следовательно, они были идеальными кандидатами для студентов Фребель.

Студенты научились характеризовать звезды, чтобы подготовиться к анализу спектров каждой из трех звезд. Они смогли определить химический состав каждой из них с помощью различных звездных моделей. Интенсивность определенной особенности в звездном спектре, соответствующей определенной длине волны света, соответствует определенному содержанию определенного элемента.

Завершив свой анализ, студенты смогли уверенно сделать вывод, что эти три звезды имеют очень низкое содержание стронция, бария и других элементов, таких как железо, по сравнению с их эталонной звездой -- нашим Солнцем. Например, одна из звезд содержала менее 1/10 000 количества железа к гелию по сравнению с современным Солнцем.

"В бегах"

Низкое содержание химических элементов в звездах намекал на то, что они образовались 12-13 миллиардов лет назад. На самом деле, их низкие химические сигнатуры были похожи на те, что астрономы ранее измеряли для некоторых древних, сверхтусклых карликовых галактик. Возникли ли найденные командой звезды в подобных галактиках? И как они оказались в Млечном Пути?

Догадываясь, ученые проверили орбиты звезд и то, как они движутся по небу. Три звезды находятся в разных местах гало Млечного Пути и, по оценкам, на расстоянии около 30 000 световых лет от Земли. (Для справки: диск Млечного Пути простирается на 100 000 световых лет в поперечнике).

Отслеживая движение каждой звезды вокруг галактического центра с помощью наблюдений с астрометрического спутника Gaia, команда заметила интересную вещь: по отношению к большинству звезд основного диска, которые движутся как автомобили на гоночной трассе, выглядело, что все три звезды двигались в неправильном направлении. В астрономии это называется "ретроградным движением" и указывает на то, что объект когда-то подвергся аккреции, то есть был втянут откуда-то.

"Единственный способ, при котором звезды могут двигаться в противоположном направлении от остальной банды, -- это если вы бросили их в неправильном направлении", - говорит Фребель.

Тот факт, что эти три звезды двигались по орбите совсем не так, как остальные галактического диска и даже гало, в сочетании с тем, что они имели низкое содержание химических элементов, убедительно свидетельствовал о том, что эти звезды были действительно древними и когда-то принадлежали к старым, меньшим карликовым галактикам, которые упали в Млечный Путь под случайными углами, и продолжили свои упрямые траектории миллиарды лет спустя.

Фребель, интересуясь, было ли ретроградное движение характерным для других древних звезд в гало, которые астрономы ранее анализировали, просмотрела научную литературу и нашла 65 других звезд, также с низким содержанием стронция и бария, которые, как оказалось, также шли против галактического потока.

"Интересно, что все они довольно быстрые -- сотни километров в секунду, и движутся в неправильном направлении", - говорит Фребель. "Они убегают! Мы не знаем, почему так происходит, но это был нужный нам кусочек пазла, который я не совсем предвидела, когда мы начинали".

Команда стремится найти другие древние звезды SASS, и теперь у них есть относительно простой рецепт, как это сделать: сначала искать звезды с низким содержанием химических элементов, а затем отслеживать их орбиты на предмет признаков ретроградного движения. Они ожидают, что из более 400 миллиардов звезд Млечного Пути этот метод позволит выявить небольшое, но значительное количество старейших звезд во Вселенной.