研究人员在我们自己的银河后院发现宇宙中最古老的恒星

研究人员发现了宇宙中最古老的恒星之一，它们偶然出现在我们自己的银河系附近。这个团队在银河系的“暗物质晕”中发现了三颗最古老的恒星，这个区域是环绕整个主要星系盘的恒星云。根据团队的分析，这三颗恒星形成于约120到130亿年前，那时正是第一个星系开始形成的时候。

研究人员将这些恒星命名为"SASS"，即Small Accreted Stellar System stars，因为他们认为每颗恒星曾属于自己的小型原始星系，后来被尚在成长中的银河系吞并。今天，这三颗恒星是它们各自星系的唯一残余部分。它们绕着银河系的外围运行，而团队怀疑在这里可能还有更多类似的古老恒星幸存者。

这些最古老的恒星“肯定应该存在，考虑到我们对星系形成的了解”，麻省理工学院物理学教授Anna Frebel说道。“它们是我们宇宙家族谱系的一部分。而且我们现在有了一种新的方式来找到它们。”

研究人员希望利用类似的SASS恒星作为超微弱矮星系的模拟体，这些矮星系被认为是宇宙中存活的最早星系之一。这样的星系如今仍完好无损，但由于距离遥远、光线微弱，天文学家无法深入研究。而SASS恒星可能曾属于类似原始矮星系，但它们位于银河系内，因此更加接近，这可能成为理解超微弱矮星系演化的一个可行途径。

研究人员已经在《皇家天文学会月报》上发表了他们的研究成果。本次研究的合著者包括约旦扎尔卡大学的Mohammad Mardini，以及安达莱斯（Hillary Andales '23）和两位目前的麻省理工本科生Ananda Santos和Casey Fienberg。

这个团队的发现源自一个课堂概念。在2022年秋季学期，Frebel开设了一门新课程，8.S30（观测恒星考古学），学生学习分析古老恒星的技术，并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。

学生们使用Frebel多年来从拉斯坎帕纳斯天文台6.5米麦哲伦-克雷望远镜收集的星数据进行研究。在她的办公室里，学生们查阅了一本厚厚的文件夹中的数据，寻找感兴趣的恒星。

他们特别搜索了在大爆炸之后不久形成的古老恒星，即约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）的丰度很低。因此，学生们在Frebel的文件夹中寻找了具有低锶和钡丰度的光谱，即光谱中特定波长的光的强度对应于特定元素的特定丰度。

他们的搜索缩小到三颗星。这三颗星最初是由麦哲伦望远镜在2013年至2014年间观测到的。天文学家们从未对这些特定的恒星进行跟进观测，以解释它们的光谱并推断它们的起源。所以，这对Frebel班上的学生来说，它们是完美的候选对象。

学生们学会了如何表征一颗恒星，以准备分析每颗星的光谱。他们能够使用各种恒星模型确定每颗恒星的化学成分。光谱中的特定特征的强度，对应于特定波长的光，与特定元素的特定丰度相对应。

在完成他们的分析后，学生们得出结论，这三颗恒星的锶、钡等元素的丰度确实非常低，与我们的太阳相比含量极低。事实上，一颗恒星的铁元素含量甚至不到今天太阳的1/10,000。

这些恒星的低化学丰度提示它们最初形成于120到130亿年前。事实上，它们的低化学特征与天文学家先前测量的一些古老超微弱矮星系的情况相似。这三颗恒星是否源自类似的星系？它们又是如何来到银河系的呢？

出于直觉，科学家们检查了这些恒星的轨道模式以及它们在天空中的运动。这三颗恒星位于银河系暗物质晕的不同位置，估计距地球约30,000光年。（作为参考，银河系盘的直径横跨100,000光年。）

通过使用来自盖亚天体测量卫星的观测结果重现了每颗恒星关于银河系中心的运动。团队注意到了一个奇怪的现象：与主要星系盘中的大多数恒星相比，它们的运动方向正好相反。在天文学上，这被称为“逆行运动”，这表明一个物体曾经“吸积”，或者说从其他地方被吸引过来。

“你只有把它们以错误的方式投掷进去，才可能有恒星的运动方向与其他恒星完全不同。”Frebel说。

这三颗恒星的运动方式与银河系的其他恒星甚至暗物质晕中的其余物质截然不同，并且它们的化学丰度很低，这就构成了它们确实是古老的恒星，并且曾属于更古老、更小的矮星系的强有力证据。这些矮星系以随机角度落入银河系，数十亿年后仍延续它们固执的轨迹。

Frebel想知道逆行运动是否是先前分析过的暗物质晕中其他古老恒星的特征，于是她翻阅了科学文献，并发现了65颗其他恒星，它们也具有低锶和钡丰度，并且似乎也在逆流运动。

“有趣的是它们都相当快——每秒数百公里，行走的方向是错误的。”Frebel说。“它们在逃跑！我们不知道为什么会这样，但这是我们需要的拼图的一部分，而且当我们开始时我并没有完全预料到。”

团队渴望寻找其他古老的SASS恒星，他们现在有了一个相对简单的方法：首先，寻找具有低化学丰度的恒星，然后跟踪它们的轨道模式，以寻找逆行运动的迹象。在银河系的4000多亿颗恒星中，他们预计这种方法将发现一小部分但数量可观的宇宙最古老的恒星。

Frebel计划今年秋天再次开设这门课程，并且对于那个最初的课程以及将研究结果发表的三位学生感到钦佩和感激。

“和三名女性本科生一起工作真是太棒了。这对我来说是第一次。”她说。“这