Les chercheurs ont inventé le terme d'étoiles « SASS » (Small Accreted Stellar System stars), pour ces petites étoiles accrétées du système stellaire, car ils pensent que chaque étoile appartenait autrefois à sa propre petite galaxie primitive et a ensuite été absorbée par la Voie Lactée, plus grande et toujours en croissance. Aujourd’hui, ces trois étoiles sont tout ce qui reste de leurs galaxies respectives. Il pourrait y avoir d'autres étoiles aussi anciennes.
"Ces étoiles parmi les plus anciennes devaient certainement être là dès la formation notre galaxie, compte tenu de ce que nous savons sur la formation des galaxies", explique Anna Frebel, professeur de physique au MIT. "Elles font partie de notre arbre généalogique cosmique. Et nous avons désormais une nouvelle façon de les retrouver."
En découvrant des étoiles SASS similaires, les chercheurs espèrent les utiliser comme analogues de galaxies naines ultrafaibles, qui sont considérées comme parmi les premières galaxies survivantes de l'univers. De telles galaxies sont encore intactes aujourd’hui, mais sont trop lointaines et trop faibles pour que les astronomes puissent les étudier en profondeur.
Comme les étoiles SASS ont peut-être appartenu autrefois à des galaxies naines tout aussi primitives, mais 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.
"Maintenant, nous pouvons rechercher davantage d'analogues dans la Voie lactée, beaucoup plus brillants, et étudier leur évolution chimique sans avoir à chasser ces étoiles extrêmement faibles", explique Frebel.
Elle et ses collègues ont publié leurs résultats aujourd'hui (14 mai 2024) dans les Avis mensuels de la Royal Astronomical Society . 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.
Frontière stellaire
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, 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 la frontière de la recherche en astrophysique", explique Andales.
Les étudiants ont travaillé à partir de données stellaires collectées par Frebel au fil des années à partir du télescope Magellan-Clay de 6,5 mètres de l'Observatoire de Las Campanas. Elle conserve des copies papier des données dans un grand classeur dans son bureau, que les étudiants ont analysé au peigne fin à la recherche d'étoiles intéressantes.
En particulier, ils recherchaient des étoiles anciennes formées peu après le Big Bang, survenu 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 abondances d’autres éléments chimiques, tels que le strontium et le baryum. Ainsi, les étudiants ont recherché dans le classeur de Frebel des étoiles dont le spectre, ou des mesures de lumière stellaire, indiquaient de faibles abondances de strontium et de baryum.
Leur recherche s'est concentrée sur trois étoiles initialement observées par le télescope Magellan entre 2013 et 2014. Les astronomes n'ont jamais suivi ces étoiles particulières pour interpréter leurs spectres et en déduire leurs origines. Ils constituaient donc des candidats parfaits pour les élèves de la classe de Frebel.
Les étudiants ont appris à caractériser une étoile afin de se préparer à l'analyse des spectres de chacune des trois étoiles. Ils ont pu déterminer la composition chimique de chacun avec différents modèles stellaires. 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 spécifique.
Après avoir finalisé leur analyse, les étudiants ont pu conclure avec confiance 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 propre soleil. En fait, une étoile contenait moins de 1/10 000 de la quantité de fer par rapport à l’hélium par rapport au soleil d’aujourd’hui.
"Il a fallu beaucoup d'heures à regarder un ordinateur, et beaucoup de débogage, à s'envoyer 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'
"Bien que la plupart de nos cours soient dispensés à partir de la base, ce cours nous place immédiatement à la frontière de la recherche en astrophysique", explique Andales.
Les étudiants ont travaillé à partir de données stellaires collectées par Frebel au fil des années à partir du télescope Magellan-Clay de 6,5 mètres de l'Observatoire de Las Campanas. Elle conserve des copies papier des données dans un grand classeur dans son bureau, que les étudiants ont analysé au peigne fin à la recherche d'étoiles intéressantes.
En particulier, ils recherchaient des étoiles anciennes formées peu après le Big Bang, survenu 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 abondances d’autres éléments chimiques, tels que le strontium et le baryum. Ainsi, les étudiants ont recherché dans le classeur de Frebel des étoiles dont le spectre, ou des mesures de lumière stellaire, indiquaient de faibles abondances de strontium et de baryum.
Leur recherche s'est concentrée sur trois étoiles initialement observées par le télescope Magellan entre 2013 et 2014. Les astronomes n'ont jamais suivi ces étoiles particulières pour interpréter leurs spectres et en déduire leurs origines. Ils constituaient donc des candidats parfaits pour les élèves de la classe de Frebel.
Les étudiants ont appris à caractériser une étoile afin de se préparer à l'analyse des spectres de chacune des trois étoiles. Ils ont pu déterminer la composition chimique de chacun avec différents modèles stellaires. 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 spécifique.
Après avoir finalisé leur analyse, les étudiants ont pu conclure avec confiance 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 propre soleil. En fait, une étoile contenait moins de 1/10 000 de la quantité de fer par rapport à l’hélium par rapport au soleil d’aujourd’hui.
"Il a fallu beaucoup d'heures à regarder un ordinateur, et beaucoup de débogage, à s'envoyer 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 laisse penser qu’elles se sont formées il y a 12 à 13 milliards d’années. En fait, leurs faibles signatures chimiques étaient similaires à celles que les astronomes avaient précédemment mesurées pour certaines anciennes galaxies naines ultrafaibles. Les étoiles de l’équipe sont-elles originaires de galaxies similaires ? Et comment sont-ils arrivés dans la Voie Lactée ?
Forts d'une intuition, les scientifiques ont vérifié les schémas orbitaux des étoiles et la façon dont elles se déplacent dans le ciel. Les trois étoiles se trouvent 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.)
En retraçant le mouvement de chaque étoile autour du centre galactique à l'aide des observations du satellite astrométrique Gaia, l'équipe a remarqué une chose curieuse : par rapport à la plupart des étoiles du disque principal, qui se déplacent comme des voitures sur une piste de course, les trois étoiles semblaient être aller dans le mauvais sens. En astronomie, c'est ce qu'on appelle le « mouvement rétrograde » et indique qu'un objet a été autrefois « accrété » ou attiré d'ailleurs.
"La seule façon d'avoir des étoiles dans le mauvais sens, c'est de les lancer dans le mauvais sens", explique Frebel.
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 contenaient de faibles abondances chimiques, démontrait fortement que les étoiles étaient effectivement anciennes et appartenaient autrefois des galaxies naines plus petites dont les planètes sont tombées dans la Voie lactée selon des angles aléatoires et ont continué leurs trajectoires obstinées des milliards d'années plus tard.
Frebel, curieuse de savoir si le mouvement rétrograde était une caractéristique d'autres étoiles anciennes dans le halo précédemment analysé par les astronomes, a parcouru la littérature scientifique et a trouvé 65 autres étoiles, également avec de faibles abondances de strontium et de baryum, qui semblaient également aller à l'encontre du mouvement rétrograde. flux galactique.
"Il est intéressant de noter qu'elles sont tous assez rapides : des centaines de kilomètres par seconde, dans le mauvais sens", explique Frebel. "Elles 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 anticipé au début."
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 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 prévoient que la méthode permettra de découvrir un nombre petit mais significatif d'étoiles les plus anciennes de l'univers.
Frebel prévoit de relancer le cours cet automne.
« Ça a été génial 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."
Plus d'informations : Hillary Diane Andales et al, Les étoiles les plus anciennes avec une faible abondance d'éléments de capture de neutrons et leurs origines dans les anciennes galaxies naines, Avis mensuels de la Royal Astronomical Society (2024). DOI : 10.1093/mnras/stae670
Forts d'une intuition, les scientifiques ont vérifié les schémas orbitaux des étoiles et la façon dont elles se déplacent dans le ciel. Les trois étoiles se trouvent 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.)
En retraçant le mouvement de chaque étoile autour du centre galactique à l'aide des observations du satellite astrométrique Gaia, l'équipe a remarqué une chose curieuse : par rapport à la plupart des étoiles du disque principal, qui se déplacent comme des voitures sur une piste de course, les trois étoiles semblaient être aller dans le mauvais sens. En astronomie, c'est ce qu'on appelle le « mouvement rétrograde » et indique qu'un objet a été autrefois « accrété » ou attiré d'ailleurs.
"La seule façon d'avoir des étoiles dans le mauvais sens, c'est de les lancer dans le mauvais sens", explique Frebel.
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 contenaient de faibles abondances chimiques, démontrait fortement que les étoiles étaient effectivement anciennes et appartenaient autrefois des galaxies naines plus petites dont les planètes sont tombées dans la Voie lactée selon des angles aléatoires et ont continué leurs trajectoires obstinées des milliards d'années plus tard.
Frebel, curieuse de savoir si le mouvement rétrograde était une caractéristique d'autres étoiles anciennes dans le halo précédemment analysé par les astronomes, a parcouru la littérature scientifique et a trouvé 65 autres étoiles, également avec de faibles abondances de strontium et de baryum, qui semblaient également aller à l'encontre du mouvement rétrograde. flux galactique.
"Il est intéressant de noter qu'elles sont tous assez rapides : des centaines de kilomètres par seconde, dans le mauvais sens", explique Frebel. "Elles 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 anticipé au début."
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 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 prévoient que la méthode permettra de découvrir un nombre petit mais significatif d'étoiles les plus anciennes de l'univers.
Frebel prévoit de relancer le cours cet automne.
« Ça a été génial 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."
Plus d'informations : Hillary Diane Andales et al, Les étoiles les plus anciennes avec une faible abondance d'éléments de capture de neutrons et leurs origines dans les anciennes galaxies naines, Avis mensuels de la Royal Astronomical Society (2024). DOI : 10.1093/mnras/stae670
Fourni par le Massachusetts Institute of Technology
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