Obserwacje międzynarodowego zespołu astronomów z spektrometrem UVES w Very Large Telescope ESO w Obserwatorium Paranal (Chile) rzuciły nowe światło na najwcześniejszą epokę galaktyki Drogi Mlecznej.
Pierwszy w historii pomiar zawartości berylu w dwóch gwiazdach w gromadzie kulistej (NGC 6397) - przesuwając obecną technologię astronomiczną do granic możliwości - umożliwił badanie wczesnej fazy między formowaniem się pierwszej generacji gwiazd w Mleczu Droga i ta gwiezdnej gromady. Ten przedział czasowy wynosił 200 - 300 milionów lat.
Wiek gwiazd w NGC 6397, określony za pomocą modeli ewolucji gwiazd, wynosi 13 400? 800 milionów lat. Dodanie dwóch przedziałów czasowych daje wiek Drogi Mlecznej, 13 600? 800 milionów lat.
Obecnie najlepszy szacunek wieku Wszechświata, jak można wywnioskować, np. Z pomiarów tła kosmicznej mikrofalówki, wynosi 13 700 milionów lat. Nowe obserwacje wskazują zatem, że pierwsza generacja gwiazd w galaktyce Drogi Mlecznej powstała wkrótce po zakończeniu trwającego około 200 milionów lat „średniowiecza”, który nastąpił po Wielkim Wybuchu.
Wiek Drogi Mlecznej
Ile lat ma Droga Mleczna? Kiedy zapaliły się pierwsze gwiazdy w naszej galaktyce?
Właściwe zrozumienie powstawania i ewolucji systemu Drogi Mlecznej jest kluczowe dla naszej wiedzy o Wszechświecie. Niemniej jednak powiązane obserwacje należą do najtrudniejszych, nawet w przypadku najsilniejszych dostępnych teleskopów, ponieważ obejmują szczegółowe badanie starych, odległych i przeważnie słabych obiektów niebieskich.
Gromady kuliste i epoki gwiazd
Współczesna fizyka astronomiczna jest w stanie zmierzyć wiek niektórych gwiazd, czyli czas, który upłynął, odkąd powstały one w wyniku kondensacji w wielkich międzygwiezdnych chmurach gazu i pyłu. Niektóre gwiazdy są bardzo „młode” pod względem astronomicznym, zaledwie kilka milionów lat, jak te w pobliskiej Mgławicy Orion. Słońce i jego układ planetarny powstały około 4560 milionów lat temu, ale wiele innych gwiazd powstało znacznie wcześniej. Niektóre z najstarszych gwiazd Drogi Mlecznej znajdują się w dużych gromadach gwiazdowych, w szczególności w „gromadach kulistych” (PR Zdjęcie 23a / 04), tzw. Ze względu na ich kulisty kształt.
Gwiazdy należące do gromady kulistej narodziły się razem, z tej samej chmury i jednocześnie. Ponieważ gwiazdy o różnych masach ewoluują w różnym tempie, możliwe jest zmierzenie wieku gromad kulistych z dość dobrą dokładnością. Najstarsze z nich mają ponad 13 000 milionów lat.
Mimo to te gromady gwiazd nie były pierwszymi gwiazdami uformowanymi w Drodze Mlecznej. Wiemy o tym, ponieważ zawierają niewielkie ilości niektórych pierwiastków chemicznych, które musiały zostać zsyntetyzowane we wcześniejszej generacji masywnych gwiazd, które eksplodowały jako supernowe po krótkim i energetycznym życiu. Przetworzony materiał osadzono w chmurach, z których powstały kolejne generacje gwiazd, por. ESO PR 03/01.
Pomimo intensywnych poszukiwań do tej pory nie było możliwości znalezienia mniej masywnych gwiazd tego pierwszego pokolenia, które wciąż mogą świecić do dziś. Dlatego nie wiemy, kiedy powstały te pierwsze gwiazdy. Na razie możemy jedynie powiedzieć, że Droga Mleczna musi być starsza niż najstarsze gwiazdy gromady kulistej.
Ale o ile starszy?
Beryl na ratunek
Tym, czego chcieliby mieć astrofizycy, jest metoda pomiaru odstępu czasu między formowaniem się pierwszych gwiazd Drogi Mlecznej (z których wielu szybko stało się supernowymi) a momentem, w którym powstały gwiazdy w gromadzie kulistej w znanym wieku. Suma tego przedziału czasowego i wiek tych gwiazd byłby wówczas okresem Drogi Mlecznej.
Nowe obserwacje z VLT w Obserwatorium Paranal ESO spowodowały teraz przełom w tym kierunku. Magicznym elementem jest „beryl”!
Beryl jest jednym z najlżejszych pierwiastków [2] - jądro najczęstszego i najbardziej stabilnego izotopu (Beryl-9) składa się z czterech protonów i pięciu neutronów. Tylko wodór, hel i lit są lżejsze. Ale podczas gdy te trzy zostały wyprodukowane podczas Wielkiego Wybuchu i podczas gdy większość cięższych pierwiastków została wyprodukowana później we wnętrzu gwiazd, Beryl-9 można wytworzyć jedynie poprzez „kosmiczną spallację”. Oznacza to, że poprzez fragmentację szybko poruszających się cięższych jąder - pochodzących ze wspomnianych wybuchów supernowych i nazywanych energetycznymi „galaktycznymi promieniami kosmicznymi” - zderzają się z lekkimi jądrami (głównie protonami i cząsteczkami alfa, tj. Jądrami wodoru i helu) w ośrodek międzygwiezdny.
Galaktyczne promienie kosmiczne i zegar berylowy
Galaktyczne promienie kosmiczne podróżowały po całej Drodze Mlecznej, kierowane przez kosmiczne pole magnetyczne. Wynikająca z tego produkcja berylu w galaktyce była dość jednolita. Ilość berylu wzrastała z czasem i dlatego może działać jak „zegar kosmiczny”.
Im dłuższy czas, jaki upłynął między powstaniem pierwszych gwiazd (lub, mówiąc dokładniej, ich szybkim zniknięciem w eksplozjach supernowych), a powstaniem kulistych gwiazd gromadowych, tym wyższa była zawartość berylu w ośrodku międzygwiezdnym, z którego powstały. . Tak więc, zakładając, że ten beryl jest zachowany w gwiezdnej atmosferze, im więcej berylu znajduje się w takiej gwieździe, tym dłuższy jest odstęp czasu między formowaniem się pierwszych gwiazd i tej gwiazdy.
Beryl może zatem dostarczyć nam unikalnych i kluczowych informacji o czasie trwania wczesnych etapów Drogi Mlecznej.
Bardzo trudna obserwacja
Na razie w porządku. Podstawy teoretyczne tej metody datowania opracowano w ciągu ostatnich trzech dekad, a wszystko, co jest potrzebne, to pomiar zawartości berylu w niektórych gwiazdach gromady kulistej.
Ale to nie jest tak proste, jak się wydaje! Głównym problemem jest to, że beryl ulega zniszczeniu w temperaturach przekraczających kilka milionów stopni. Kiedy gwiazda ewoluuje w kierunku świetlistej fazy olbrzyma, następuje gwałtowny ruch (konwekcja), gaz w górnej atmosferze gwiazdowej wchodzi w kontakt z gorącym gazem wewnętrznym, w którym cały beryl został zniszczony, a początkowa zawartość berylu w atmosferze gwiazdowej w ten sposób znacznie rozcieńczony. Aby użyć zegara berylu, konieczne jest zatem zmierzenie zawartości tego pierwiastka w mniej masywnych, mniej rozwiniętych gwiazdach w gromadzie kulistej. A te tak zwane „gwiazdy wyłączające” są wewnętrznie słabe.
W rzeczywistości problem techniczny do rozwiązania jest trzykrotny: po pierwsze, wszystkie gromady kuliste są dość daleko, a ponieważ mierzone gwiazdy są wewnętrznie słabe, wydają się dość słabe na niebie. Nawet w NGC6397, drugiej najbliższej gromadzie kulistej, gwiazdy TO mają jasność około ~ 16 lub 10000 razy słabszą niż najsłabsza gwiazda widoczna nieuzbrojonym okiem. Po drugie, w widmie gwiazdowym widoczne są tylko dwie sygnatury berylu (linie widmowe), a ponieważ te stare gwiazdy zawierają stosunkowo mało berylu, linie te są bardzo słabe, szczególnie w porównaniu do sąsiednich linii widmowych z innych pierwiastków. Po trzecie, dwie linie berylu znajdują się w mało zbadanym obszarze widmowym przy długości fali 313 nm, tj. W części widma ultrafioletowego, na którą silnie wpływa absorpcja w atmosferze ziemskiej w pobliżu granicy światła i cienia przy 300 nm, poniżej której obserwacje z ziemi nie są już możliwe.
Nic więc dziwnego, że takich obserwacji nigdy wcześniej nie poczyniono, trudności techniczne były po prostu nie do pokonania.
VLT i UVES wykonują zadanie
Korzystając z wydajnego spektrometru UVES na 8,2-metrowym teleskopie Kuyen bardzo dużego teleskopu ESO w Obserwatorium Paranal (Chile), który jest szczególnie wrażliwy na światło ultrafioletowe, zespołowi ESO i włoskich astronomów [1] udało się uzyskać pierwszy niezawodny pomiary zawartości berylu w dwóch gwiazdach TO (oznaczonych „A0228” i „A2111”) w gromadzie kulistej NGC 6397 (PR Zdjęcie 23b / 04). Położona w odległości około 7200 lat świetlnych w kierunku bogatego pola gwiazdowego w południowej konstelacji Ary, jest jedną z dwóch najbliższych gromad gwiazdowych tego typu; drugim jest Messier 4.
Obserwacje przeprowadzono w ciągu kilku nocy w 2003 roku. Łącznie ponad 10 godzin ekspozycji na każdą z gwiazd 16 magnitudo przesunęły VLT i UVES w kierunku granicy technicznej. Zastanawiając się nad postępem technologicznym, lider zespołu, astronom z ESO, Luca Pasquini, jest podekscytowany: „Jeszcze kilka lat temu tego rodzaju obserwacje byłyby niemożliwe i pozostałyby tylko marzeniem astronoma!”
Powstałe widma (PR Zdjęcie 23c / 04) słabych gwiazd pokazują słabe sygnatury jonów berylu (Be II). Porównanie obserwowanego widma z serią widm syntetycznych o różnej zawartości berylu (w astrofizyce: „obfitość”) pozwoliło astronomom znaleźć najlepsze dopasowanie, a tym samym zmierzyć bardzo małą ilość berylu w tych gwiazdach: dla każdego atomu berylu jest około 2224 000 000 000 atomów wodoru.
Linie berylu widoczne są również w innej gwiazdie tego samego typu co te gwiazdy, HD 218052, por. Zdjęcie PR 23c / 04. Jednak nie jest on członkiem gromady, a jego wiek nie jest tak dobrze znany jak wiek gromady. Jego zawartość berylu jest dość podobna do gwiazd gromady, co wskazuje, że ta gwiazda polowa urodziła się mniej więcej w tym samym czasie co gromada.
Od Wielkiego Wybuchu aż do teraz
Zgodnie z najlepszymi aktualnymi teoriami dotyczącymi spallacji, zmierzona ilość berylu musiała się gromadzić w ciągu 200 - 300 milionów lat. Włoski astronom Daniele Galli, inny członek zespołu, dokonuje obliczeń: „Więc teraz wiemy, że wiek Drogi Mlecznej jest znacznie dłuższy niż wiek gromady kulistej - nasza galaktyka musi zatem wynosić 13 600? 800 milionów lat. Po raz pierwszy uzyskaliśmy niezależne określenie tej podstawowej wartości! ”.
W ramach tych niepewności liczba ta również bardzo dobrze pasuje do obecnego szacunku wieku Wszechświata, wynoszącego 13 700 milionów lat, czyli czasu, który upłynął od Wielkiego Wybuchu. Wygląda zatem na to, że pierwsza generacja gwiazd w galaktyce Drogi Mlecznej została uformowana mniej więcej w czasie, gdy zakończyła się „epoka ciemności”, a obecnie uważa się ją za około 200 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Wydawałoby się, że układ, w którym żyjemy, może rzeczywiście być jednym z „założycieli” członków galaktyki we Wszechświecie.
Więcej informacji
Badania przedstawione w tym komunikacie prasowym zostały omówione w artykule zatytułowanym „Bądź w gwiazdach wyłączających NGC 6397: wczesna galaktyka, kosmochronologia i tworzenie gromad” przez L. Pasquiniego i współautorów, który zostanie opublikowany w europejskim czasopiśmie badawczym „Astronomy & Astrophysics” (astro-ph / 0407524).
Oryginalne źródło: ESO News Release
