麻省理工学院研究团队发现宇宙中最古老的恒星 它隐藏在光晕中

麻省理工学院的天文学家发现了三颗宇宙中最古老的恒星，它们就生活在我们的银河系附近。这些恒星位于银河系的"光环"中--光环是包裹着主星系盘的恒星云，它们似乎形成于 120 亿年至 130 亿年前，当时第一批星系正在形成。图片来源：Serge Brunier；NASA

研究人员将这些恒星命名为"SASS"，意为"小增生恒星系统恒星"，因为他们相信每颗恒星都曾经属于自己的原始小星系，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部分。它们环绕着银河系的外围，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）说："根据我们对星系形成的了解，这些最古老的恒星肯定应该存在。它们是我们宇宙家谱的一部分。我们现在有了找到它们的新方法"。

在发现类似的 SASS 恒星后，研究人员希望将它们作为超微弱矮星系的类似物，超微弱矮星系被认为是宇宙中现存的一些最早的星系。这些星系被认为是宇宙中幸存下来的最早的星系。这些星系至今仍然完好无损，但由于距离太远、太暗，天文学家无法对它们进行深入研究。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，因此距离银河系更近，它们可能是了解超暗矮星系演化的一把钥匙。

研究人员拿着一个装满了多年来收集的恒星数据的活页夹，其中包括恒星亮度随时间变化的数据。从左至右阿南达-桑托斯（Ananda Santos）、凯西-费恩伯格（Casey Fienberg）和安娜-弗雷贝尔（Anna Frebel）。图片来源：研究人员提供

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

她和同事们于5月14日在《皇家天文学会月刊》（MNRAS）上发表了他们的研究成果。这项研究的共同作者包括约旦扎尔卡大学的穆罕默德-马尔迪尼（Mohammad Mardini）、23 岁的希拉里-安达莱斯（Hillary Andales）以及麻省理工学院的在读本科生阿南达-桑托斯（Ananda Santos）和凯西-菲恩伯格（Casey Fienberg）。

该团队的发现源于一个课堂理念。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），让学生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。

安达莱斯说："虽然我们的大多数课程都是从基础教起，但这门课却让我们立即站在了天体物理学研究的前沿。"

学生们根据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进行研究。她把这些数据的硬拷贝放在她办公室的一个大活页夹里，学生们用这些数据来寻找感兴趣的恒星。

特别是，他们正在寻找大爆炸后不久形成的古老恒星，大爆炸发生在 138 亿年前。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具有光谱或星光测量值的恒星，这些光谱或星光测量值显示锶和钡的丰度很低。

他们的搜索范围缩小到了麦哲伦望远镜最初在 2013 年至 2014 年间观测到的三颗恒星。天文学家从未对这些恒星进行过后续研究，以解读它们的光谱并推断它们的起源。因此，它们是弗雷贝尔班学生的理想候选对象。

学生们学习了如何描述恒星的特征，以便为分析这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。恒星光谱中与特定波长的光相对应的特定特征的强度与特定元素的丰度相对应。

在完成分析后，学生们自信地得出结论：与他们的参照恒星--我们的太阳相比，这三颗恒星的锶、钡和其他元素（如铁）的丰度确实很低。事实上，与今天的太阳相比，其中一颗恒星所含的铁与氦的比例还不到十万分之一。

桑托斯回忆说："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，才弄明白这个问题。"这是一个很大的学习曲线，也是一次特殊的经历。"

这些恒星的低化学丰度确实暗示它们最初形成于 120 亿到 130 亿年前。事实上，它们的低化学特征与天文学家之前测量到的一些古老的超微弱矮星系相似。研究小组的恒星是否起源于类似的星系？它们又是如何来到银河系的呢？

凭直觉，科学家们查看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光环的不同位置，估计距离地球约 3 万光年。(作为参考，银河系的圆盘横跨 10 万光年）。

研究小组利用盖亚天体测量卫星的观测数据追溯了每颗恒星围绕银河中心的运动轨迹，他们注意到了一个奇怪的现象：相对于主圆盘中大多数像赛车场上的赛车一样运动的恒星，这三颗恒星似乎都走错了方向。在天文学中，这种现象被称为"逆行"，是天体曾经"吸积"或从别处吸入的提示。

弗雷贝尔说："只有把明星扔到错误的地方，才能让他们与其他明星走错方向。"

这三颗恒星的运行方式与银河系盘的其他部分甚至光环都完全不同，再加上它们的化学丰度很低，这有力地证明了这些恒星确实很古老，曾经属于更古老、更小的矮星系，它们以随机的角度坠入银河系，并在数十亿年后继续其顽强的运行轨迹。

弗莱贝好奇地想知道，天文学家以前分析过的光环中的其他古老恒星是否也有逆行现象，于是他翻阅了科学文献，发现还有 65 颗同样具有低锶和低钡丰度的恒星似乎也在逆行。

研究小组正在继续寻找其他古老的 SASS 恒星，他们现在有了一个相对简单的方法：首先，寻找化学丰度低的恒星，然后追踪它们的轨道模式，寻找逆行运动的迹象。在银河系中的 4000 多亿颗恒星中，他们预计这种方法将发现一小部分宇宙中最古老的恒星。

弗莱贝计划在今年秋天重开这门课，回顾第一门课程和三位将成果发表的学生，他充满了敬佩和感激之情。

"能与三位女大学生共事真是太棒了。这对我来说还是第一次，"她说。"这确实是麻省理工学院工作方式的一个范例。我们就是这样做的。无论谁说'我想参加'，他们都能做到，而且会有好事发生"。

编译来源：ScitechDaily