环绕银河系光环的三颗恒星形成于12至130亿年前

麻省理工学院的研究人员，包括几名本科生，发现了宇宙中三颗最古老的恒星，它们恰好生活在我们自己的银河系附近。

研究小组发现了银河系“光环”中的恒星——包围整个主银盘的恒星云。根据研究小组的分析，这三颗恒星形成于12至130亿年前，当时第一个星系正在形成。

研究人员将这些恒星命名为“SASS”，代表小型吸积恒星系统恒星，因为他们相信每颗恒星都曾经属于自己的小型原始星系，后来被更大但仍在增长的银河系吸收。如今，这三颗恒星是各自星系中仅存的。它们环绕银河系外围，研究小组怀疑那里可能存在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(AnnaFrebel)说：“鉴于我们对星系形成的了解，这些最古老的恒星肯定应该在那里。”“它们是我们宇宙家谱的一部分。我们现在有了一种新的方法来找到它们。”

当他们发现类似的SASS恒星时，研究人员希望将它们用作超微弱矮星系的类比，这些矮星系被认为是宇宙中幸存的第一批星系。这些星系至今仍然完好无损，但距离太远且昏暗，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，而且距离更近，因此它们可能是了解超微弱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亮的类似物，并研究它们的化学演化，而不必追逐这些极其微弱的恒星，”弗雷贝尔说。

她和她的同事今天(5月14日)在《皇家天文学会月刊》上发表了他们的发现。该研究的合著者是约旦扎尔卡大学的穆罕默德·马尔迪尼(MohammadMardini);希拉里·安戴尔斯'23;以及现任麻省理工学院本科生AnandaSantos和CaseyFienberg。

恒星前沿

该团队的发现源于课堂概念。2022年秋季学期，弗雷贝尔推出了新课程8.S30(观测恒星考古学)，学生们在其中学习分析古代恒星的技术，然后将这些工具应用于以前从未研究过的恒星，以确定它们的起源。

“虽然我们的大多数课程都是从头开始讲授，但这门课程立即让我们处于天体物理学研究的前沿，”安戴尔斯说。

学生们利用弗雷贝尔多年来从拉斯坎帕纳斯天文台6.5米麦哲伦-克莱望远镜收集的恒星数据进行研究。她将数据的纸质副本保存在办公室的一个大活页夹中，学生们通过梳理这些数据来寻找感兴趣的明星。

特别是，他们正在寻找138亿年前发生的大爆炸后不久形成的古代恒星。此时，宇宙主要由氢和氦以及丰度非常低的其他化学元素(例如锶和钡)组成。因此，学生们通过弗雷贝尔的活页夹查找带有光谱或星光测量的恒星，这些光谱或星光测量表明锶和钡的丰度较低。

他们的搜索范围缩小到了麦哲伦望远镜在2013年至2014年期间最初观测到的三颗恒星。天文学家从未跟踪这些特定的恒星来解释它们的光谱并推断它们的起源。那么，他们是弗雷贝尔班上学生的完美人选。

学生们学习了如何表征恒星，以便为分析三颗恒星的光谱做好准备。他们能够利用各种恒星模型确定每一颗恒星的化学成分。恒星光谱中特定特征的强度，对应于特定的光波长，对应于特定元素的特定丰度。

在完成分析后，学生们能够自信地得出结论，与他们的参考星——我们自己的太阳相比，这三颗恒星确实含有非常低丰度的锶、钡和铁等其他元素。事实上，与今天的太阳相比，一颗恒星的铁氦含量还不到1/10,000。

“我们花了很多时间盯着电脑，进行大量的调试，疯狂地互相发短信和电子邮件才能解决这个问题，”桑托斯回忆道。“这是一个很大的学习曲线，也是一次特殊的经历。”

'在运行'

这些恒星的低化学丰度确实暗示它们最初形成于12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代超微弱矮星系的化学特征相似。该团队的恒星是否起源于相似的星系?它们是如何来到银河系的?

凭着直觉，科学家们检查了恒星的轨道模式以及它们如何在天空中移动。这三颗恒星位于银河系光环的不同位置，估计距地球约30,000光年。(作为参考，银河系的圆盘跨度为100,000光年。)

当他们利用盖亚天体测量卫星的观测数据追溯每颗恒星围绕银河系中心的运动时，研究小组注意到了一件奇怪的事情：相对于主盘中的大多数恒星(它们像赛道上的汽车一样移动)，所有三颗恒星似乎都是走错路了。在天文学中，这被称为“逆行运动”，是一个物体曾经被“吸积”或从其他地方吸引过来的提示。

弗雷贝尔说：“让明星与其他成员走错路的唯一方法就是你把他们扔错了路。”

事实上，这三颗恒星的轨道运行方式与银盘的其他部分甚至光环完全不同，再加上它们的化学丰度较低，这一事实有力地证明了这些恒星确实很古老，并且曾经属于更古老的恒星。，较小的矮星系以随机角度落入银河系，并在数十亿年后继续其顽固的轨迹。

弗雷贝尔很好奇逆行运动是否是天文学家之前分析过的光晕中其他古代恒星的一个特征，他查阅了科学文献，发现了其他65颗恒星，它们的锶和钡丰度也较低，似乎也与天文学家之前分析的光环中的逆行运动相反。银河流。

“有趣的是，它们的速度都非常快——每秒数百公里，但方向却错误，”弗雷贝尔说。“他们在逃!我们不知道为什么会这样，但这正是我们需要的拼图，而我们开始时我并没有预料到。”

该团队渴望寻找其他古老的SASS恒星，他们现在有一个相对简单的方法来做到这一点：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。在银河系超过4000亿颗恒星中，他们预计该方法将发现一小部分但数量可观的宇宙最古老恒星。

弗雷贝尔计划在今年秋天重新开设该课程，并怀着钦佩和感激之情回顾第一门课程，以及将其成果出版的三名学生。

“与三名女本科生一起工作真是太棒了。这对我来说是第一次，”她说。“这确实是麻省理工学院方式的一个例子。我们这样做。无论谁说，‘我想参与’，他们都可以做到，然后好事就会发生。”