Des chercheurs du MIT découvrent les plus anciennes étoiles de l’univers | Dmshaulers

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Les astronomes du MIT ont découvert trois des étoiles les plus anciennes de l’univers et elles résident dans notre propre voisinage galactique. Les étoiles se trouvent dans le « halo » de la Voie lactée – le nuage d’étoiles entourant le disque galactique principal – et elles semblent s’être formées il y a entre 12 et 13 milliards d’années, lorsque les toutes premières galaxies prenaient forme. Crédit : Serge Brunier ; NASA

Des astronomes ont découvert trois étoiles anciennes en orbite La voie LactéeLe halo s’est formé il y a 12 à 13 milliards d’années.

MON les scientifiques ont découvert trois des étoiles les plus anciennes de l’univers, et elles résident dans notre propre voisinage galactique.

L’équipe, composée de plusieurs étudiants de premier cycle, a découvert les étoiles dans le « halo » de la Voie lactée, le nuage d’étoiles qui enveloppe tout le disque galactique principal. D’après l’analyse de l’équipe, les trois étoiles se sont formées il y a entre 12 et 13 milliards d’années, époque à laquelle les toutes premières galaxies prenaient forme.

Les scientifiques ont inventé les étoiles « SASS » pour Small Accreted Stellar System stars, car ils pensent que chaque étoile appartenait autrefois à sa propre petite galaxie primitive qui a ensuite été absorbée dans la Voie Lactée, plus grande mais toujours en expansion. Aujourd’hui, ces trois étoiles sont tout ce qui reste de leurs galaxies respectives. Ils gravitent autour de la Voie Lactée, où l’équipe soupçonne qu’il pourrait y avoir d’autres survivants de ces étoiles anciennes.

Une nouvelle méthode pour étudier les étoiles anciennes

“Ces étoiles les plus anciennes devraient certainement être là, compte tenu de ce que nous savons sur la formation des galaxies”, explique Anna Frebel, professeur de physique au MIT. “Ils font partie de notre arbre généalogique cosmique. Et nous avons désormais une nouvelle façon de les retrouver.”

En révélant des étoiles SASS similaires, les chercheurs espèrent les utiliser comme analogues de galaxies naines ultra-faibles, qui seraient parmi les premières galaxies survivantes de l’univers. De telles galaxies sont encore intactes aujourd’hui, mais elles sont trop lointaines et trop faibles pour que les astronomes puissent les étudier en profondeur. Étant donné que les étoiles SASS ont peut-être autrefois appartenu à des galaxies naines primitives similaires, mais qu’elles se trouvent dans la Voie lactée et sont donc beaucoup plus proches, elles pourraient constituer une clé accessible pour comprendre l’évolution des galaxies naines ultrafaibles.

Ananda Santos, Casey Fienberg et Anna Frebel

Les scientifiques conservent un classeur rempli de données sur les étoiles qu’ils ont collectées au fil des ans, y compris la luminosité stellaire au fil du temps. De gauche à droite : Ananda Santos, Casey Fienberg et Anna Frebel. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs

“Nous pouvons désormais rechercher dans la Voie lactée davantage d’analogues beaucoup plus brillants et étudier leur évolution chimique sans avoir à rechercher ces étoiles extrêmement faibles”, explique Frebel.

Elle et ses collègues ont publié leurs conclusions le 14 mai dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society (MNRAS). Les co-auteurs de l’étude sont Mohammad Mardini, de l’Université de Zarqa, en Jordanie ; Hillary Andales ’23; et les étudiants actuels du MIT, Ananda Santos et Casey Fienberg.

Le concept de classe mène à de grandes découvertes

Les découvertes de l’équipe sont nées d’un concept de salle de classe. Au cours du semestre d’automne 2022, Frebel a lancé un nouveau cours, 8.S30 (Observational Stellar Archaeology), dans lequel les étudiants ont appris des techniques d’analyse d’étoiles anciennes, puis ont appliqué ces outils à des étoiles qui n’avaient jamais été étudiées auparavant pour déterminer leurs origines.

“Bien que la plupart de nos cours soient dispensés à partir de zéro, ce cours nous place immédiatement à l’avant-garde de la recherche en astrophysique”, explique Andales.

Les étudiants ont travaillé à partir de données stellaires collectées par Frebel au fil des ans à partir du télescope Magellan-Clay de 20 pieds de l’observatoire de Las Campanas. Elle conserve des copies papier des données dans un grand classeur dans son bureau, que les étudiants parcourent à la recherche d’étoiles intéressantes.

En particulier, ils recherchaient de vieilles étoiles formées peu après Big Bang, qui a eu lieu il y a 13,8 milliards d’années. À cette époque, l’univers était principalement composé d’hydrogène et d’hélium et de très faibles quantités d’autres éléments chimiques, tels que le strontium et le baryum. Les étudiants ont donc recherché dans le classeur de Frebel des étoiles dont le spectre, ou des mesures de lumière stellaire, indiquaient de faibles quantités de strontium et de baryum.

Analyse d’étoiles anciennes

Leur recherche a permis de cibler trois étoiles initialement observées par le télescope Magellan entre 2013 et 2014. Les astronomes n’ont jamais suivi ces étoiles particulières pour interpréter leur spectre et en déduire leurs origines. Ils constituaient donc de parfaits candidats pour les élèves de la classe de Frebel.

Les étudiants ont appris à caractériser une étoile pour se préparer à l’analyse des spectres de chacune des trois étoiles. Ils ont pu déterminer la composition chimique de chacun avec différents modèles d’étoiles. L’intensité d’un élément particulier du spectre stellaire, correspondant à une longueur d’onde spécifique de la lumière, correspond à une abondance particulière d’un élément particulier.

Après avoir terminé leur analyse, les étudiants ont pu conclure avec certitude que les trois étoiles contenaient de très faibles quantités de strontium, de baryum et d’autres éléments comme le fer par rapport à leur étoile de référence, notre propre Soleil. En fait, une étoile contenait moins de 1/10 000e quantité de fer par rapport à l’hélium par rapport au Soleil aujourd’hui.

“Il a fallu de nombreuses heures passées à regarder un ordinateur et beaucoup de dépannage, en s’envoyant frénétiquement des SMS et des e-mails pour comprendre cela”, se souvient Santos. “C’était une grande courbe d’apprentissage et une expérience spéciale.”

“En fuite”

La faible abondance chimique des étoiles suggère qu’elles se sont formées il y a 12 à 13 milliards d’années. En fait, leurs faibles signatures chimiques correspondaient à ce que les astronomes avaient précédemment mesuré pour certaines anciennes galaxies naines ultra-faibles. Les étoiles de l’équipe sont-elles originaires de galaxies similaires ? Et comment sont-ils arrivés dans la Voie Lactée ?

D’un simple coup d’œil, les chercheurs ont vérifié les schémas orbitaux des étoiles et la façon dont elles se déplacent dans le ciel. Les trois étoiles se trouvent à divers endroits du halo de la Voie lactée et sont estimées à environ 30 000 années-lumière de la Terre. (Pour référence, le disque de la Voie Lactée s’étend sur 100 000 années-lumière.)

En suivant le mouvement de chaque étoile autour du centre galactique à l’aide des observations du satellite astrométrique Gaia, l’équipe a remarqué une chose étrange : comparées à la plupart des étoiles du disque principal, qui se déplacent comme des voitures sur une piste de course, les trois étoiles semblent aller dans le mauvais sens. chemin. En astronomie, c’est ce qu’on appelle le « mouvement rétrograde » et cela indique qu’un objet a été autrefois « accrété » ou attiré d’ailleurs.

“La seule façon de faire en sorte que les étoiles partent dans le mauvais sens par rapport au reste du gang est de les lancer dans le mauvais sens”, explique Frebel.

Perspectives d’avenir et recherche

Le fait que ces trois étoiles orbitaient de manière complètement différente du reste du disque galactique et même du halo, combiné au fait qu’elles avaient de faibles abondances chimiques, fournissait un argument solide selon lequel les étoiles étaient en effet anciennes et appartenaient autrefois à des étoiles plus anciennes, plus petites. des galaxies naines qui sont tombées dans la Voie lactée sous des angles aléatoires et ont continué leurs orbites tenaces des milliards d’années plus tard.

Curieux de savoir si le mouvement rétrograde était une caractéristique d’autres étoiles anciennes dans le halo que les astronomes avaient déjà analysées, Frebel a parcouru la littérature scientifique et a trouvé 65 autres étoiles, également avec de faibles abondances de strontium et de baryum, qui semblent également aller à l’encontre du flux galactique.

“Il est intéressant de noter qu’ils sont tous assez rapides : des centaines de kilomètres par seconde et vont dans le mauvais sens”, explique Frebel. “Ils sont en fuite ! Nous ne savons pas pourquoi, mais c’était la pièce du puzzle dont nous avions besoin et que je n’avais pas vraiment prévue lorsque nous avons commencé.”

L’équipe est impatiente de trouver d’autres étoiles anciennes du SASS, et elle dispose désormais d’une recette relativement simple pour y parvenir : rechercher d’abord des étoiles avec de faibles abondances chimiques, puis suivre leurs schémas orbitaux à la recherche de signes de mouvement rétrograde. Sur les plus de 400 milliards d’étoiles que compte la Voie lactée, ils s’attendent à ce que la méthode montre un nombre petit mais significatif des étoiles les plus anciennes de l’univers.

Prévoyant de relancer le cours cet automne, Frebel revient sur le premier cours et sur les trois étudiants qui ont publié leurs résultats avec admiration et gratitude.

« Cela a été fantastique de travailler avec trois étudiantes de premier cycle. C’est une première pour moi”, dit-elle. “C’est vraiment un exemple de la méthode du MIT. Nous le faisons. Et quiconque dit ‘Je veux participer’, il peut le faire, et de bonnes choses se produisent.”

Référence : « Les plus anciennes étoiles à éléments capturant de faibles neutrons et leurs origines dans les vieilles galaxies naines » par Hillary Diane Andales, Ananda Santos Figueiredo, Casey Gordon Fienberg, Mohammad K Mardini et Anna Frebel, 14 mai 2024, Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
DOI : 10.1093/mnras/stae670

Cette recherche a été financée en partie par la National Science Foundation.

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