Gwiezdny archeolog

W lutym tego roku Anna Frebel i jej koledzy ogłosili odkrycie prawdopodobnie najstarszej znanej gwiazdy. W pogodną noc nawet astronom amator może być w stanie wytrenować silny teleskop na SMSS J031300.36-670839,3 znajdującym się w halo Drogi Mlecznej.

SM0313 — skrót, dzięki któremu jest znany — ma niezwykłą sygnaturę chemiczną. Chociaż prawdopodobnie pochodzi z wczesnej galaktyki karłowatej, która uformowała się wkrótce po Wielkim Wybuchu, nie ma żadnych cech wspólnych z odkrytymi do tej pory gwiazdami obecnymi w galaktykach karłowatych. Ten fakt zastanawia astronomów. Jak mówi Frebel, członek Instytutu Astrofizyki i Badań Kosmicznych MIT Kavli oraz adiunkt fizyki na Wydziale Astrofizyki, Droga Mleczna najprawdopodobniej pożera galaktyki karłowate, włączając ich gwiazdy do własnego halo.

34-letni Frebel należy do nowej rasy astronomów, których można uważać za gwiezdnych archeologów. Zamiast przesiewać warstwy brudu w poszukiwaniu artefaktów dawnych cywilizacji, wydobywają z nieba światło starożytnych gwiazd. Badając to światło, określają skład chemiczny tych gwiazd i układają w całość, jak powstała nasza obecna galaktyka i pierwiastki w układzie okresowym. Znalezienie gwiazdy tak prymitywnej jak SM0313 dodaje ważny rozdział do historii o rozwoju galaktyki, wszechświata i samego życia.

Kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu pierwsze gwiazdy uformowały się z obłoków gazowych złożonych z dwóch najlżejszych pierwiastków, wodoru i helu, ze śladowymi ilościami litu. Z biegiem czasu jądra tych lekkich pierwiastków połączyły się w ognistych jądrach tych pierwotnych gwiazd, tworząc cięższe pierwiastki, takie jak węgiel, tlen i żelazo. Kiedy gwiazdy umarły, eksplodując jako supernowe, wyrzuciły te nowe pierwiastki w kosmos, wzbogacając obłoki gazu, z których narodziły się nowe, bardziej zróżnicowane chemicznie gwiazdy. W miarę tworzenia kolejnych generacji gwiazd stawały się one coraz bardziej bogate w metale, jak astronomowie nazywają wszystkie pierwiastki oprócz wodoru i helu.

Frebel mówi, że starożytne, ubogie w metale gwiazdy, rozrzucone wśród kilkuset miliardów młodszych gwiazd w naszej galaktyce, po prostu czekają na odnalezienie, jak stare puszki z fasolą z tyłu szafy. Analizuje je za pomocą teleskopowego przystawki znanej jako spektrograf, która dzieli światło gwiazdy na tęczę. Ponieważ każdy pierwiastek pochłania światło o określonej długości fali, może wydedukować, które pierwiastki są obecne w atmosferze gwiazdy, obserwując dokładne odcienie, których brakuje w widmie.

Jednak określenie wieku gwiazdy jest trudne. Bardzo rzadko starożytna gwiazda zawiera pierwiastek radioaktywny, taki jak uran, co pozwala astronomom na zastosowanie techniki podobnej do datowania węglowego. W 2007 roku Frebel użył tej metody do obliczenia, że ​​gwiazda znana jako HE 1523-0901 ma około 13,2 miliarda lat. Ona i jej koledzy są całkiem pewni, że pochodzi z jednej z najwcześniejszych generacji gwiazd, ponieważ sam wszechświat, mający około 13,8 miliarda lat, jest tylko nieco starszy. Ale w przypadku gwiazd bez pierwiastków promieniotwórczych zasada jest taka, że ​​im mniej pierwiastków, tym jest starsza. Ponieważ naukowcy mogli wyliczyć obfitość tylko czterech pierwiastków w SM0313, Frebel twierdzi, że najprawdopodobniej należy do drugiej generacji. (Byli również zaskoczeni względną obfitością węgla w tak starożytnej gwieździe, co sugeruje, że pierwiastek ten miał kluczowe znaczenie nie tylko dla powstania życia, ale także we wczesnym wszechświecie).

To, co przekonało Frebel, że może to być najstarsza znana gwiazda, to fakt, że wydaje się być pozbawiona żelaza. W skali metalicznej używanej przez astronomów -1,0 oznacza, że ​​gwiazda ma jedną dziesiątą zawartości żelaza w naszym Słońcu, -2,0 to jedna setna i tak dalej. W 2002 roku astronom Norbert Christlieb poinformował o odkryciu gwiazdy, której metaliczność wynosiła -5,2; zanim obroniła swoją pracę magisterską w 2006 roku, Frebel znalazła gwiazdę, która miała -5,4. Wraz z odkryciem SM0313, który w ogóle nie ma wykrywalnego żelaza, Frebel i jej koledzy ustanowili nowy rekord na poziomie -7,1 – a być może nawet niższym, ponieważ można było określić tylko górną granicę.

Anna Frebel monitoruje teleskopy Magellana w obserwatorium w Chile.

Frebel rozpoczęła swoją misję jako licencjat z fizyki. Wzięła rok wolnego od studiów w swoich rodzinnych Niemczech, aby prowadzić badania astronomiczne w Australii, gdzie uzyskała widoki nieba, które może zapewnić tylko półkula południowa. Tam poznała Christlieba, wówczas z Uniwersytetu w Hamburgu, wkrótce po tym, jak odkrył gwiazdę -5,2. Szybko zorientowałem się, że Anna nie boi się eksplorować nieznanego terytorium i nie jest osobą, która łatwo się poddaje – wspomina.

Po zdobyciu doktoratu na Australian National University i ukończeniu studiów podoktorskich na University of Texas i Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Frebel dołączył do wydziału MIT w 2012 roku. Główną atrakcją był dostęp Instytutu do jednych z najpotężniejszych teleskopów na świecie. W zeszłym roku spędziła 10 nocy na gromadzeniu danych za pomocą bliźniaczych teleskopów Magellana w obserwatorium Las Campanas w Chile. (Jest wśród tych, które oferują dane wejściowe do spektrografu nowego Giant Magellana Telescope, który będzie miał sześciokrotnie większą zdolność zbierania światła niż dzisiejsze największe teleskopy.)

Mimo długiej podróży do tego odległego obserwatorium na pustyni Atakama, mówi, że zawsze czuje się odmłodzona przez niebiosa z diamentowymi cętkami . Całą noc jej oczy są przyklejone do komputera, który rejestruje dane spektralne. Ponieważ czas instrumentów jest tak cenny, Frebel musi zrównoważyć swoje obserwacje, aby uzyskać wystarczającą ilość danych o wszystkich swoich gwiazdach docelowych. Galaktyki karłowate są tak słabe, że zebranie wystarczającej liczby fotonów zajmuje blisko 10 godzin, wyjaśnia; jasne gwiazdy halo nie wymagają tak dużej ekspozycji. Kiedy pogoda nie dopisuje, sprawdza pocztę lub oddaje się swojemu hobby, jakim jest astrofotografia, ponieważ zachmurzone niebo to dobre zdjęcia. Analizuje dane dopiero po powrocie do domu.

Dorastając w małym mieście Getynga, Frebel zawsze mógł widzieć gwiazdy w pogodne noce – co nie jest takie łatwe w Bostonie z jego pomarańczowym niebem. Jej romans z gwiazdami zaczął się wcześnie, ale jako nastolatka poważnie rozważała zostanie projektantką mody. Chociaż nie miała formalnego wykształcenia, zaprojektowała i uszyła wiele swoich ubrań, często powielając fantazyjne stroje, które lubiła, lub wymyślając własne. Ostatecznie wygrała astronomia, ponieważ, jak mówi, bardziej mi się podobała. Mógłbym zachować modę jako hobby. Teraz, zamiast pracować umysłem i rękami, aby odtworzyć wzór sukienki, wyobraża sobie, jak mógł wyglądać wczesny wszechświat i zbiera dane, aby przetestować swój pomysł. Myślę, że moje krawiectwo zapewniło mi narzędzie szkoleniowe do rozwijania pomysłów, a następnie rygorystycznego ich realizowania, mówi.

Frebel chętnie dzieli się tymi pomysłami z opinią publiczną; Princeton University Press planuje wydać swoją niemiecką książkę popularnonaukową, Poszukiwanie najstarszych gwiazd , w tłumaczeniu. I szczęśliwie współpracuje z astronomami wszystkich pasów. Do niedawna teoretycy i obserwatorzy w dziedzinie pierwszych gwiazd pracowali w dużej mierze bez większego kontaktu, mówi Volker Bromm, profesor astronomii z Uniwersytetu Teksańskiego i współpracownik od czasów podoktoranckich Frebla. Anna jest wyjątkowa wśród obserwatorów pod względem chęci interakcji z teoretykami, osadzania swoich obserwacji w szerszym kontekście teoretycznym i kierowania ich do odpowiednich przewidywań empirycznych.

Obserwacje gwiezdnych archeologów z pewnością wstrząsają założeniami teoretycznymi, takimi jak pogląd, że wszystkie wczesne gwiazdy eksplodowały w masywnych eksplozjach, które wyrzucały ciężkie pierwiastki, takie jak żelazo. Frebel i jej koledzy uważają, że protoplasta SM0313 musiała wyjść jako stłumiona supernowa. Tylko eksplozja o niskiej energii dostarczyłaby lżejszych pierwiastków, takich jak węgiel, ale nie wyrzuciłaby cięższych pierwiastków, takich jak żelazo wytworzone w pierwotnym jądrze gwiazdy. Astronomowie poszukują tuzina innych gwiazd drugiej generacji, aby wesprzeć ten nowy pomysł.

W maju Frebel i jej zespół opublikowali swoje odkrycie najmniej odkrytej chemicznie galaktyki – Segue 1, położonej 75 000 lat świetlnych od Ziemi. Mając zaledwie około tysiąc gwiazd, wszystkie ubogie w metale, ta niewyraźna galaktyka może dać nam lepszy wgląd w warunki wczesnego wszechświata. Jednak dalsze badanie jego słabych i odległych gwiazd zajmie trochę czasu.

Mimo to nasze teleskopy stają się coraz lepsze. Szanse na odnalezienie starożytnych bliskich i dalekich oraz odkrycie ich sekretów wydają się sprzyjać Frebelowi.

Uwaga redaktorów: Pierwotnie donoszono, że gwiazda znana jako SM0313, którą Anna Frebel wraz z kolegami odkryła w halo Drogi Mlecznej, potwierdza teorię, że nasza galaktyka rozwija się, ucztując na swoich sąsiadach. Podczas gdy inne dowody sugerują, że Droga Mleczna właśnie to robi, niezwykła sygnatura chemiczna SM0313 jest niepodobna do odkrytej do tej pory gwiazd w pobliskich galaktykach karłowatych, co czyni tę gwiazdę nieodpowiednią do badania ewolucji Drogi Mlecznej.

ukryć