Stjernearkæologen

I februar måned offentliggjorde Anna Frebel og hendes kolleger opdagelsen af, hvad der kan være den ældste kendte stjerne. På en klar nat kan selv en amatørastronom måske træne et stærkt teleskop på SMSS J031300.36-670839.3, der ligger i Mælkevejens glorie.

SM0313 - den stenografi, som den er kendt for - har en usædvanlig kemisk signatur. Selvom den sandsynligvis opstod i en tidlig dværggalakse, der blev dannet kort efter Big Bang, deler den ingen egenskaber med stjerner, der er til stede i de hidtil opdagede dværggalakser. Denne kendsgerning har astronomer undret. Mælkevejen sluger efter al sandsynlighed dværggalakser og inkorporerer deres stjerner i sin egen glorie, siger Frebel, medlem af MIT Kavli Institut for Astrofysik og Rumforskning og assisterende professor i fysik i Astrofysikafdelingen.

Frebel, 34, tilhører en ny race af astronomer, der kan opfattes som stjernearkæologer. I stedet for at sigte gennem lag af snavs efter artefakter fra tidligere civilisationer, miner de himlen efter lys fra gamle stjerner. Ved at studere det lys bestemmer de den kemiske sammensætning af disse stjerner og sammensætter, hvordan vores nuværende galakse og grundstofferne i det periodiske system opstod. At finde en stjerne så primitiv som SM0313 tilføjer et vigtigt kapitel til historien om, hvordan galaksen, universet og selve livet udfoldede sig.

Et par hundrede millioner år efter Big Bang blev de første stjerner dannet af gasformige skyer lavet af de to letteste grundstoffer, brint og helium, med spor af lithium. Over tid smeltede kernerne af disse letvægtselementer sammen i de brændende kerner af disse urstjerner og skabte tungere elementer som kulstof, ilt og jern. Da stjernerne døde og eksploderede som supernovaer, drev de disse nye elementer ud i rummet og berigede gasskyer, hvorfra nye, mere kemisk forskellige stjerner blev født. Efterhånden som de efterfølgende generationer af stjerner blev skabt, blev de mere og mere rige på metaller, som astronomer kalder alle grundstoffer udover brint og helium.

Frebel siger, at gamle metalfattige stjerner spredt blandt de få hundrede milliarder yngre stjerner i vores galakse simpelthen venter på at blive fundet, som gamle dåser med bønner bagerst i skabet. Hun analyserer dem med en teleskopisk vedhæftning kendt som en spektrograf, som deler stjernens lys i en regnbue. Fordi hvert element absorberer lys ved en bestemt bølgelængde, kan hun udlede, hvilke elementer der er til stede i stjernens atmosfære ved at observere de præcise nuancer, der mangler i spektret.

Det er imidlertid vanskeligt at bestemme en stjernes alder. Meget sjældent indeholder en gammel stjerne et radioaktivt grundstof såsom uran, som gør det muligt for astronomer at bruge en teknik, der ligner kulstofdatering. I 2007 brugte Frebel denne metode til at beregne, at en stjerne kendt som HE 1523-0901 var omkring 13,2 milliarder år gammel. Hun og hendes kolleger er helt sikre på, at det er fra en af ​​de tidligste generationer af stjerner, fordi selve universet, omkring 13,8 milliarder år, kun er lidt ældre. Men for stjerner uden radioaktive grundstoffer er tommelfingerreglen, at jo færre grundstoffer, jo ældre er det. Fordi forskerne kunne udlede overfloden af ​​kun fire elementer i SM0313, siger Frebel, at det højst sandsynligt tilhører anden generation. (De blev også overrasket over den relative overflod af kulstof i sådan en gammel stjerne, hvilket tyder på, at grundstoffet var kritisk ikke kun for livets fremkomst, men også i det tidlige univers.)

Hvad Frebel har overbevist om, at det kan være den ældste kendte stjerne, er, at den ser ud til at være blottet for jern. I den metallicitetsskala, som astronomer bruger, betyder -1,0, at en stjerne har en tiendedel af jernindholdet i vores sol, -2,0 er en hundrededel, og så videre. I 2002 rapporterede astronomen Norbert Christlieb om opdagelsen af ​​en stjerne, hvis metallicitet var -5,2; før hun forsvarede sit speciale i 2006, fandt Frebel en stjerne, der kom ind på -5,4. Med opdagelsen af ​​SM0313, som slet ikke har noget detekterbart jern, satte Frebel og hendes kolleger en ny rekord på -7,1 - eller muligvis endnu mindre, fordi kun en øvre grænse kunne bestemmes.

Anna Frebel overvåger Magellan-teleskoperne ved et observatorium i Chile.

Frebel begyndte sin søgen som en bachelor i fysik. Hun tog et år fri fra studier i sit hjemland Tyskland for at lave astronomiforskning i Australien, hvor hun fik udsigter til himlen, som kun den sydlige halvkugle kan give. Mens hun var der, mødte hun Christlieb, dengang fra universitetet i Hamburg, kort efter at han havde opdaget stjernen -5,2. Jeg indså hurtigt, at Anna ikke er bange for at udforske ukendt territorium, og at hun ikke er en person, der let giver op, husker han.

Efter at have opnået en ph.d. fra Australian National University og afsluttet postdocs ved University of Texas og Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, sluttede Frebel sig til MIT-fakultetet i 2012. Et stort trækplaster var instituttets adgang til nogle af verdens mest kraftfulde teleskoper. Sidste år brugte hun 10 nætter på at indsamle data med de to Magellan-teleskoper ved Las Campanas-observatoriet i Chile. (Hun er blandt dem, der tilbyder input til spektrografen til det nye Giant Magellan Telescope, som vil have seks gange så stor lysindsamlingskapacitet som nutidens største teleskoper.)

På trods af den lange rejse til dette fjerntliggende observatorium i Atacama-ørkenen, siger hun, at hun altid føler sig forynget af diamantplettet himmel . Hele natten er hendes øjne klistret til computeren, der optager de spektrale data. Med instrumenttid så kostbar, er Frebel nødt til at balancere sine observationer, så hun kan få nok data om alle sine målstjerner. Dværggalakser er så svage, at det tager tæt på 10 timer at indsamle nok fotoner, forklarer hun; lyse gloriestjerner kræver ikke så meget eksponering. Når vejret ikke samarbejder, tjekker hun e-mails eller forkæler sig med sin hobby med astrofotografering, da overskyet himmel giver gode billeder. Hun analyserer dataene først, når hun kommer hjem.

Da han voksede op i den lille by Göttingen, kunne Frebel altid se stjernerne på klare nætter - ikke så let i Boston med dens orange himmel. Hendes romantik med stjerner begyndte tidligt, men som teenager overvejede hun seriøst at blive modedesigner. Selvom hun ikke havde nogen formel uddannelse, designede og syede hun mange af sit tøj, ofte kopierede hun fancy outfits, hun kunne lide, eller drømte om sit eget. I sidste ende vandt astronomi, fordi, hun siger, jeg elskede det mere. Jeg kunne holde mode som en hobby. Nu, i stedet for at arbejde med sind og hænder for at genskabe mønsteret af en kjole, forestiller hun sig, hvordan det tidlige univers kunne have set ud og indsamler data for at teste sin idé. Jeg tror, ​​at min dressmaking gav mig et træningsværktøj til at udvikle ideer og derefter strengt forfølge dem, siger hun.

Frebel er ivrig efter at dele disse ideer med offentligheden; Princeton University Press planlægger at udgive sin tyske populærvidenskabelige bog, Søger efter de ældste stjerner , i oversættelse. Og hun arbejder med glæde sammen med astronomer af alle slags. Indtil for nylig har teoretikere og observatører i det første stjernefelt stort set arbejdet uden megen kontakt, siger Volker Bromm, en astronomiprofessor fra University of Texas og en samarbejdspartner siden Frebels postdoc-dage. Anna er unik blandt observatører i hendes ønske om at interagere med teoretikere, indlejre sine observationer i den store teoretiske kontekst og guide dem til relevante empiriske forudsigelser.

Stjernearkæologers observationer ryster helt sikkert op i teoretiske antagelser, såsom forestillingen om, at alle tidlige stjerner blæste i luften i massive eksplosioner, der spyede tunge elementer som jern. Frebel og hendes kolleger mener, at stamfaderen til SM0313 må være gået ud som en afdæmpet supernova. Kun en lavenergieksplosion ville give lettere elementer som kulstof, men undlade at uddrive tungere elementer som jern lavet i den originale stjernes kerne. Astronomer søger et dusin andre andengenerationsstjerner for at styrke denne nye idé.

I maj offentliggjorde Frebel og hendes team deres opdagelse af den mindst kemisk udviklede galakse fundet hidtil - Segue 1, der ligger 75.000 lysår fra Jorden. Med kun omkring tusinde stjerner, alle metalfattige, kan denne tøffe galakse give os et klarere indblik i forholdene i det tidlige univers. Men yderligere undersøgelse af dens dunkle og fjerne stjerner vil kræve noget.

Alligevel bliver vores teleskoper kun bedre. Oddsene for at finde de gamle både nær og fjern - og låse deres hemmeligheder op - ser ud til at være i Frebels favør.

Redaktørens note: Oprindeligt blev det rapporteret, at en stjerne kendt som SM0313, som Anna Frebel og kolleger opdagede i Mælkevejens glorie, understøtter teorien om, at vores galakse er vokset ved at feste på sine naboer. Mens andre beviser tyder på, at Mælkevejen gør netop det, er SM0313s usædvanlige kemiske signatur ulig den for stjerner i nærliggende dværggalakser, der er opdaget indtil videre, hvilket gør denne stjerne uegnet til at undersøge Mælkevejens udvikling.

skjule