Οι ερευνητές του έδωσαν την προσωρινή ονομασία “Loki”. Ερευνητές από το Ηνωμένο Βασίλειο, τον Καναδά, τη Χιλή και άλλες χώρες ανέλυσαν λεπτομερώς 20 πολύ παλαιά άστρα που βρίσκονται στη γειτονιά του Ήλιου, τα οποία ακολουθούν ασυνήθιστες τροχιές που τα κρατούν κοντά στο γαλαξιακό επίπεδο.
Τα αποτελέσματα, που δημοσιεύθηκαν στο Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, υποδηλώνουν ότι αυτά τα άστρα θα μπορούσαν να είναι τα απομεινάρια ενός αρχαίου συστήματος που συγκρούστηκε με τον γαλαξία μας πριν από περισσότερα από 10 δισεκατομμύρια χρόνια.
Για να κατανοήσουν πώς σχηματίστηκε ο Γαλαξίας μας, οι αστρονόμοι αναζητούν τα αρχαιότερα άστρα που υπάρχουν. Αυτά τα άστρα, που ονομάζονται άστρα πολύ χαμηλής μεταλλικότητας, περιέχουν πολύ λίγα βαριά στοιχεία, επειδή γεννήθηκαν όταν το σύμπαν ήταν ακόμη νεαρό και δεν είχε παρέλθει αρκετός χρόνος ώστε τα προγενέστερα άστρα να δημιουργήσουν και να διασπείρουν αυτά τα στοιχεία.
Ένας τρόπος για να κατανοήσουμε τη χημική ιστορία και την ιστορία σχηματισμού του γαλαξία μας είναι να μελετήσουμε τα κατάλοιπα εκείνων των πρώιμων εποχών, εξηγούν οι συγγραφείς στην εισαγωγή της εργασίας τους. Η ομάδα, με επικεφαλής τον F. Sestito, επέλεξε 20 από αυτά τα προγονικά άστρα.
Δεν επέλεξαν όμως οποιοδήποτε άστρο: όλα τους βρίσκονται σχετικά κοντά στον Ήλιο (λιγότερο από 2.000 parsecs, δηλαδή περίπου 6.500 έτη φωτός) και, το κυριότερο, ακολουθούν τροχιές που δεν απομακρύνονται ποτέ περισσότερο από 4.000 parsecs (περίπου 13.000 έτη φωτός) από το επίπεδο του Γαλαξία.
Από αυτά τα 20 άστρα, τα 11 κινούνται προς την ίδια κατεύθυνση περιστροφής με την πλειονότητα των άστρων του γαλαξία («ορθή» φορά κίνησης), ενώ 9 κινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση («ανάδρομη» φορά). Όλα τους έχουν πολύ επιμήκεις ή εκκεντρικές τροχιές, με τιμές μεταξύ 0.5 και 0.9 (όπου το 0 αντιστοιχεί σε έναν τέλειο κύκλο και το 1 σε μια ευθεία γραμμή).
Μια ιδιαίτερη χημεία που τα κάνει να ξεχωρίζουν
Για να αναλύσουν τη σύσταση αυτών των άστρων, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν φάσματα πολύ υψηλής ποιότητας που ελήφθησαν με το όργανο ESPaDOnS, εγκατεστημένο στο Τηλεσκόπιο Καναδά-Γαλλίας-Χαβάης. Το όργανο αυτό αναλύει το φως των άστρων στα θεμελιώδη χρώματά του, σαν ένα ουράνιο τόξο, επιτρέποντας την ταυτοποίηση των χημικών στοιχείων που περιέχονται σε αυτά.
Τα αποτελέσματα έδειξαν κάτι εκπληκτικό. Αν και στα παραδοσιακά διαγράμματα αυτά τα άστρα φαινόταν να συγχέονται με τα υπόλοιπα αρχαία άστρα της γαλαξιακής «άλω» (το σφαιρικό περίβλημα που περιβάλλει τον γαλαξία μας), μια βαθύτερη ανάλυση αποκάλυψε σημαντικές διαφορές.
Τα άστρα μας παρουσιάζουν μικρότερη διασπορά στη χημική τους σύσταση σε σχέση με εκείνη της άλω και του γαλαξιακού εξογκώματος (τον πυρήνα του γαλαξία) με την ίδια μεταλλικότητα, σημειώνουν οι ερευνητές.
Με άλλα λόγια, ενώ τα άστρα της γαλαξιακής άλω εμφανίζουν μεγάλη ποικιλία χημικών συνθέσεων (σαν μια σούπα φτιαγμένη από πολλά διαφορετικά υλικά), αυτά τα 20 άστρα είναι χημικά πολύ παρόμοια μεταξύ τους. Για να το επαληθεύσουν αυτό, οι αστρονόμοι χρησιμοποίησαν δύο διαφορετικές μεθόδους.
Πρώτον, δημιούργησαν χημικά φυλογενετικά δέντρα, παρόμοια με εκείνα που χρησιμοποιούνται για τη μελέτη της εξέλιξης των ειδών, αλλά προσαρμοσμένα στα άστρα ανάλογα με τη σύστασή τους.
Το αποτέλεσμα ήταν σαφές: Όλα αυτά τα άστρα, εκτός από ένα, αποτελούν μια πολύ συνεκτική ομάδα. Δεύτερον, συνέκριναν τη χημική διασπορά των άστρων τους με εκείνη άλλων ομάδων.
Υπολόγισαν ότι η διασπορά στην περιεκτικότητα στοιχείων όπως το μαγνήσιο, το ασβέστιο ή το τιτάνιο σε αυτά τα άστρα είναι σημαντικά χαμηλότερη από ό,τι στη γαλαξιακή άλω. Στην πραγματικότητα, είναι συγκρίσιμη με αυτήν που παρατηρείται στο εσωτερικό ενός μεμονωμένου νάνου γαλαξία.
Η χημική διασπορά των άστρων μας είναι πολύ παρόμοια με εκείνη ενός κλειστού συστήματος, αναφέρουν οι συγγραφείς. Ένα σύστημα ή δύο;
Ένα από τα πιο ενδιαφέροντα ερωτήματα που εγείρει αυτή η ανακάλυψη είναι αν όλα αυτά τα άστρα προέρχονται από ένα ενιαίο σύστημα που απορροφήθηκε από τον Γαλαξία μας, ή αν προέρχονται από δύο διαφορετικά συστήματα (ένα για τα άστρα με ορθή φορά και ένα για εκείνα με ανάδρομη).
Για να απαντήσουν σε αυτό το ερώτημα, οι ερευνητές στράφηκαν σε κοσμολογικές προσομοιώσεις υψηλής ανάλυσης με την ονομασία NIHAO-UHD.
Αυτές οι προσομοιώσεις δείχνουν ότι είναι απόλυτα εφικτό για ένα μοναδικό σύστημα που συγκρούεται με τον Γαλαξία στα πολύ πρώιμα στάδιά του —πριν ακόμη σχηματιστεί ο γαλαξιακός δίσκος— να διασκορπίσει τα άστρα του τόσο σε ορθές όσο και σε ανάδρομες τροχιές κοντά στο γαλαξιακό επίπεδο.
Οι προσομοιώσεις υποδεικνύουν ότι το προσροφημένο σύστημα συγχωνεύθηκε με τον υπό διαμόρφωση “πρωτο-Γαλαξία” με γωνία εισόδου περίπου 40 μοιρών, εξηγούν.
Λόγω του ασθενούς βαρυτικού δυναμικού του πρωτο-γαλαξία και της έλλειψης καθαρής περιστροφής στον πρωτο-δίσκο, το σύστημα μπόρεσε να διασπείρει το αστρικό του περιεχόμενο κυρίως μέσα στον υπό σχηματισμό πρωτο-δίσκο, με ένα μέρος του υλικού να διασκορπίζεται σε ανάδρομες διατάξεις.
Επιπλέον, όταν συνέκριναν τις ιδιότητες των άστρων με ορθή και ανάδρομη φορά εντός του δείγματός τους, δεν διαπίστωσαν σημαντικές χημικές διαφορές μεταξύ των δύο ομάδων. Αυτό υποστηρίζει την υπόθεση της κοινής προέλευσης.
Η υπόθεση Loki: Ένα σύστημα στο μέγεθος νάνου γαλαξία
Αν πράγματι όλα αυτά τα άστρα προέρχονται από ένα ενιαίο σύστημα που απορροφήθηκε από τον Γαλαξία μας, οι ερευνητές πρότειναν να του δώσουν την προσωρινή ονομασία Loki (στη σκανδιναβική μυθολογία, ένας πανούργος θεός γνωστός για την πρόκληση χάους, αν και οι συγγραφείς σημειώνουν ότι δεν είναι ούτε εντελώς καλός ούτε εντελώς κακός).
Χρησιμοποιώντας μοντέλα γαλαξιακής χημικής εξέλιξης, οι επιστήμονες εκτίμησαν ποια θα ήταν η μάζα αυτού του συστήματος. Για να το επιτύχουν αυτό, υπέθεσαν ότι τα άστρα σχηματίστηκαν σε ένα κλειστό σύστημα, χωρίς εισροή ή εκροή αερίων, και ότι ο ρυθμός σχηματισμού άστρων ήταν σταθερός με την πάροδο του χρόνου.
Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι η συνολική βαρυονική ύλη (δηλαδή η κανονική ύλη που σχηματίζει τα άστρα και τα αέρια) αυτού του συστήματος θα ήταν περίπου 1.4 δισεκατομμύρια φορές η μάζα του Ήλιου. Αυτή η τιμή είναι παρόμοια με εκείνη των κλασικών νάνων γαλαξιών της Τοπικής Ομάδας.
Για παράδειγμα, τα Νέφη του Μαγγελάνου έχουν βαρυονική μάζα περίπου 900 εκατομμύρια και 2 δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες, αντίστοιχα, συγκρίνουν οι συγγραφείς.
Αυτή η μάζα συμπίπτει επίσης με εκείνη του συστήματος που χρησιμοποιήθηκε στις προσομοιώσεις NIHAO-UHD, το οποίο είχε αστρική μάζα 320 εκατομμύρια ηλιακές μάζες, μάζα αερίων 6.4 δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες και μάζα άλω σκοτεινής ύλης 49 δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες.
Στην περίπτωση που τα άστρα με ορθή και ανάδρομη φορά προέρχονταν από δύο διαφορετικά συστήματα, η συνολική μάζα θα ήταν περίπου διπλάσια, δηλαδή γύρω στα 2.8 δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες.
Άλλες παρόμοιες αλλά όχι πανομοιότυπες δομές
Τα τελευταία χρόνια, οι αστρονόμοι έχουν εντοπίσει πολλές αστρικές δομές που θα μπορούσαν να είναι απομεινάρια αρχαίων συγκρούσεων: Nyx, Aleph, Shiva, Shakti, Sequoia, Thamnos, μεταξύ άλλων. Ωστόσο, καμία δεν φαίνεται να ταιριάζει απόλυτα με τα χαρακτηριστικά αυτής της νέας ομάδας.
Οι δομές Shiva και Shakti, για παράδειγμα, ανακαλύφθηκαν πρόσφατα και βρίσκονται επίσης σε τροχιές κοντά στο επίπεδο. Αλλά όταν οι ερευνητές συνέκριναν τις θέσεις των άστρων τους στον “χώρο δράσης” (action space — ένας τρόπος αναπαράστασης των τροχιών), διαπίστωσαν ότι η ομάδα Loki καταλαμβάνει μια διαφορετική περιοχή.
Οι θέσεις των δεικτών σε σχέση με τις γνωστές δομές δεν αντιπροσωπεύουν πραγματικά άστρα, καθώς έχουν τυχαιοποιηθεί με βάση τη διάμεσο των μεγεθών δράσης τους (action quantities), διευκρινίζουν οι συγγραφείς.
Χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο οπτικοποίησης που ονομάζεται t-SNE, ο οποίος ομαδοποιεί αντικείμενα σύμφωνα με τις χημικές τους ιδιότητες (χωρίς να χρησιμοποιεί πληροφορίες για τις τροχιές τους), οι ερευνητές επιβεβαίωσαν ότι τα άστρα τους συγκεντρώνονται μαζί και διαχωρίζονται σαφώς από τα περισσότερα άστρα της γαλαξιακής άλω.
Σχηματίστηκαν εντός ή εκτός του Γαλαξία;
Ένα θεμελιώδες ερώτημα που η μελέτη δεν μπορεί να επιλύσει πλήρως είναι αν αυτά τα άστρα σχηματίστηκαν μέσα στον ίδιο τον Γαλαξία μας («in situ») ή αν προήλθαν από έξω («accreted»).
Παραδοσιακά, οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν το διάγραμμα Mg/Mn έναντι Al/Fe για να διακρίνουν τα άστρα που σχηματίστηκαν εντός του γαλαξία από εκείνα που προέρχονται από εξωγενή συστήματα.
Τα άστρα που σχηματίστηκαν στον γαλαξιακό δίσκο συνήθως καταλαμβάνουν διαφορετική περιοχή από εκείνα που προέρχονται από έξω. Ωστόσο, οι ερευνητές προειδοποιούν ότι αυτό το εργαλείο χάνει την αποτελεσματικότητά του όταν αναλύονται άστρα με πολύ χαμηλή περιεκτικότητα σε μέταλλα, όπως αυτά του δείγματός τους.
Ελλείψει μιας ισχυρής χημικής διάγνωσης στο καθεστώς πολύ χαμηλής μεταλλικότητας, δεν μπορούμε να αποκλείσουμε οριστικά το σενάριο της επιτόπιας γέννησης (in-situ) βασιζόμενοι αποκλειστικά σε αυτόν τον χημικό χώρο, παραδέχονται οι συγγραφείς.
Είναι πιθανό τα αρχαιότερα άστρα που σχηματίστηκαν εντός του πρωτο-Γαλαξία να έχουν χημικές συνθέσεις πολύ παρόμοιες με εκείνες των εξωγενών συστημάτων, επειδή σε εκείνες τις απομακρυσμένες εποχές η χημεία του γαλαξία δεν είχε ακόμη τον χρόνο να διαφοροποιηθεί.
Ένας ετερόκλητος πληθυσμός
Όταν οι ερευνητές διεύρυναν την οπτική τους για να συμπεριλάβουν και άλλα άστρα σε επίπεδες τροχιές, αλλά με διαφορετικές τροχιακές ιδιότητες (για παράδειγμα, πιο κυκλικές αντί για εκκεντρικές τροχιές), διαπίστωσαν μια πολύ πιο ετερόκλητη εικόνα.
Συλλέγοντας δεδομένα από άλλες μελέτες που περιλαμβάνουν τα πάντα, από άστρα εξαιρετικά χαμηλής μεταλλικότητας (με λιγότερο από το 0,01% της περιεκτικότητας του Ήλιου σε σίδηρο) έως εκείνα με μέτρια χαμηλή μεταλλικότητα, ανακάλυψαν ότι ο συνολικός πληθυσμός των άστρων σε επίπεδη τροχιά είναι χημικά πολύ ετερογενής.
Το ευρύ φάσμα των αναλογιών X/Fe μεταξύ αυτής της μεγάλης συλλογής άστρων σε επίπεδη τροχιά δεν μπορεί να αποδοθεί πλήρως σε συστηματικά σφάλματα της χημικής ανάλυσης μεταξύ των διαφορετικών μελετών, καταλήγουν.
Για τον λόγο αυτό, προτείνουν ότι πολλαπλά συστήματα με διαφορετικές ιστορίες χημικού εμπλουτισμού συνέβαλαν στον παγκόσμιο πληθυσμό των άστρων σε επίπεδες τροχιές. Αυτό που κάνει το δείγμα τους ξεχωριστό είναι ο συνδυασμός των πολύ εκκεντρικών τροχιών και της αξιοσημείωτης χημικής ομοιογένειας.
Το επόμενο βήμα θα είναι η αναμονή των μεγάλων επικείμενων φασματοσκοπικών ερευνών, όπως το WEAVE (στο τηλεσκόπιο William Herschel στη La Palma) και το 4MOST (στο Αστεροσκοπείο Paranal στη Χιλή).
Τα όργανα αυτά, θα παρέχουν πολύ μεγαλύτερα και πιο ομοιογενή δείγματα άστρων με πολύ χαμηλή μεταλλικότητα, επιτρέποντας την επιβεβαίωση ή τη διάψευση της ύπαρξης του Loki, καθώς και τον καλύτερο χαρακτηρισμό των ιδιοτήτων αυτού του πιθανού προγονικού συστήματος.
Στο μεταξύ, αυτά τα 20 άστρα παραμένουν σιωπηλοί μάρτυρες μιας μακρινής εποχής στην ιστορία του γαλαξία μας, όταν ο Γαλαξίας βρισκόταν ακόμη υπό διαμόρφωση και ολόκληρα συστήματα κατέρρεαν μέσα του, αφήνοντας τα άστρα τους διάσπαρτα σαν μια διαδρομή από κοσμικά ψίχουλα.
Κάποια από αυτά τα ψίχουλα, όπως εκείνα που μελετούν τώρα οι αστρονόμοι, κατέληξαν σε απροσδόκητα επίπεδες τροχιές, περιμένοντας υπομονετικά για περισσότερα από 10 δισεκατομμύρια χρόνια κάποιον να αποκρυπτογραφήσει την ιστορία τους.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου