mai 18, 2024

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Des chercheurs du MIT ont découvert les étoiles les plus anciennes de l’univers

Des chercheurs du MIT ont découvert les étoiles les plus anciennes de l’univers

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

Des astronomes ont découvert trois étoiles anciennes en orbite autour de la planète Terre Voie LactéeUn halo s’est formé il y a 12 à 13 milliards d’années.

Massachusetts Institute of Technology Les chercheurs ont découvert trois des étoiles les plus anciennes de l’univers, et elles vivent dans notre voisinage galactique.

L’équipe, qui comprend plusieurs étudiants de premier cycle, a découvert des étoiles dans le « halo » de la Voie lactée, le nuage d’étoiles couvrant 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 premières galaxies se sont formées.

Les chercheurs ont nommé les petites étoiles en croissance du système « SASS », car ils pensent que chaque étoile appartenait autrefois à sa propre petite galaxie primordiale qui a été absorbée par la Voie Lactée, plus grande et toujours en croissance. Aujourd’hui, les trois étoiles sont tout ce qui reste de leurs galaxies. Ils gravitent autour de la Voie Lactée, où l’équipe soupçonne qu’il pourrait y avoir d’autres survivants d’étoiles anciennes.

Une nouvelle façon d’étudier les étoiles anciennes

« Ces étoiles plus anciennes existent bel et bien, 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. Nous avons désormais une nouvelle façon de les retrouver. »

En découvrant des étoiles SASS similaires, les chercheurs espèrent les utiliser comme homologues des galaxies naines ultra-faibles, qui seraient parmi les premières galaxies survivantes de l’univers. De telles galaxies restent intactes à ce jour, 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 appartenu autrefois à des galaxies naines primordiales 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 ultra-faibles.

Ananda Santos, Casey Feinberg et Anna Friebel

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

« Nous pouvons désormais rechercher davantage d’analogues dans la Voie lactée, qui sont beaucoup plus brillantes, et étudier leur évolution chimique sans avoir à chasser ces étoiles très faibles », explique Friebel.

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

Le concept de classe mène à une découverte majeure

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

« Bien que la plupart de nos cours soient dispensés à partir de la base, ce cours nous place immédiatement à l’avant-garde de la recherche en astrophysique », explique Andalis.

Les étudiants ont travaillé avec des données sur les étoiles que Friebel a collectées au fil des ans grâce au télescope Magellan-Clay de 6,5 mètres de l’observatoire de Las Campanas. Elle conserve des copies papier des données dans un gros dossier dans son bureau, que les étudiants ont parcouru à la recherche d’étoiles intéressantes.

Ils recherchaient en particulier des étoiles anciennes qui se sont formées peu après le Paléolithique. le Big BangCe qui s’est produit il y a 13,8 milliards d’années. À cette époque, l’univers était composé principalement d’hydrogène et d’hélium et de très faibles pourcentages d’autres éléments chimiques, comme le strontium et le baryum. Ainsi, les étudiants ont recherché dans le fichier de Friebel des étoiles dont le spectre, ou des mesures de la lumière des étoiles, indiquaient de faibles abondances de strontium et de baryum.

Analyse d’étoiles anciennes

Ils ont limité leur recherche à trois étoiles initialement observées par le télescope Magellan entre 2013 et 2014. Les astronomes n’ont jamais suivi spécifiquement ces étoiles pour interpréter leurs spectres et en déduire leurs origines. Ils constituaient donc des candidats idéaux pour les élèves de la classe de Friebel.

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Les étudiants ont appris à caractériser une étoile afin de se préparer à l’analyse spectrale de chacune des trois étoiles. Ils ont pu déterminer la composition chimique de chacun à l’aide de différents modèles stellaires. L’intensité d’un élément donné du spectre stellaire, correspondant à une longueur d’onde donnée de la lumière, correspond à une abondance donnée d’un élément donné.

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 tels que le fer, par rapport à leur étoile de référence – notre Soleil. En fait, une seule étoile contient moins de 1/10 000e quantité de fer par rapport à l’hélium que le Soleil aujourd’hui.

« Il a fallu de nombreuses heures passées à regarder l’ordinateur, beaucoup de débogage et à envoyer frénétiquement des SMS et des e-mails pour comprendre », se souvient Santos. « Ce fut une grande courbe d’apprentissage et une expérience particulière. »

« le terme »

Les faibles abondances chimiques des étoiles indiquent qu’elles se sont formées il y a 12 à 13 milliards d’années. En fait, sa faible signature chimique était similaire à celle que les astronomes avaient précédemment mesurée pour certaines anciennes galaxies naines ultra-faibles. Les étoiles de l’équipe sont-elles originaires de galaxies similaires ? Comment ont-ils atteint la Voie Lactée ?

Sur la base de leur intuition, les scientifiques ont examiné les schémas orbitaux des étoiles et la manière dont elles se déplacent dans le ciel. Les trois étoiles sont situées à différents 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.)

Lorsqu’ils ont suivi le mouvement de chaque étoile autour du centre galactique à l’aide des observations du satellite astronomique Gaia, l’équipe a remarqué quelque chose d’étrange : pour la plupart des étoiles du disque principal, qui se déplacent comme des voitures sur une piste de course, les trois étoiles semblaient être le même. Vous allez dans le mauvais sens. En astronomie, cela est connu sous le nom de « mouvement rétrograde » et indique que l’objet s’est « accumulé » ou a été tiré d’un autre endroit.

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« La seule façon de faire en sorte que les étoiles partent dans la mauvaise direction par rapport au reste du gang est de les lancer dans la mauvaise direction », explique Friebel.

Perspectives d’avenir et recherche

Le fait que ces trois étoiles orbitaient de manière très différente du reste du disque galactique et même du halo, combiné au fait qu’elles avaient de faibles abondances chimiques, démontrait fortement que les étoiles étaient effectivement anciennes et avaient autrefois appartenu à des étoiles plus âgées. Ce sont des galaxies naines plus petites qui sont tombées dans la Voie lactée sous des angles aléatoires et ont continué leur trajectoire obstinée des milliards d’années plus tard.

Frebel souhaitait savoir si le mouvement rétrograde était une caractéristique d’autres étoiles anciennes dans le halo que les astronomes avaient analysé précédemment. Il a donc effectué des recherches dans la littérature scientifique et trouvé 65 autres étoiles, contenant également de faibles abondances de strontium et de baryum, qui semblaient également aller contre la théorie. flux galactique.

« Il est intéressant de constater qu’ils sont tous très rapides : des centaines de kilomètres par seconde, dans la mauvaise direction », explique Fripple. « Ils sont en fuite ! Nous ne savons pas pourquoi cela s’est produit, mais c’était la pièce du puzzle dont nous avions besoin, et à laquelle je ne m’attendais pas vraiment lorsque nous avons commencé. »

L’équipe est impatiente de rechercher d’autres étoiles anciennes du SASS, et elle dispose désormais d’une recette relativement simple pour y parvenir : tout d’abord, rechercher des étoiles avec de faibles abondances chimiques, puis tracer 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 cette méthode donne naissance à un nombre restreint mais significatif d’étoiles les plus anciennes de l’univers.

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

« C’était formidable 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 faisons. Celui qui dit : je veux participer, peut le faire et de bonnes choses arriveront.

Référence : « Les étoiles les plus anciennes avec de faibles abondances d’éléments capturant les neutrons et leurs origines dans les anciennes galaxies naines » par Hilary Diane Andalis, Ananda Santos Figueiredo, Casey Gordon Feinberg, Muhammad K. Mardini et Anna Friebel, 14 mai 2024, Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
est ce que je: 10.1093/mnras/stae670

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