Stjärnarkeologen

I februari tillkännagav Anna Frebel och hennes kollegor upptäckten av vad som kan vara den äldsta kända stjärnan. En klar natt kanske till och med en amatörastronom kan träna ett starkt teleskop på SMSS J031300.36-670839.3, som ligger i Vintergatans halo.

SM0313 – förkortningen som den är känd – har en ovanlig kemisk signatur. Även om den troligen har sitt ursprung i en tidig dvärggalax som bildades strax efter Big Bang, delar den inga egenskaper med stjärnor som finns i dvärggalaxerna som hittills har upptäckts. Detta faktum har astronomer förbryllat. Vintergatan, med all sannolikhet, slukar upp dvärggalaxer och införlivar deras stjärnor i sin egen gloria, säger Frebel, medlem av MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research och biträdande professor i fysik vid Astrophysics Division.

Frebel, 34, tillhör en ny ras av astronomer som kan ses som stjärnarkeologer. Istället för att sålla igenom lager av smuts efter artefakter från tidigare civilisationer, bryter de himlen efter ljus från antika stjärnor. Genom att studera det ljuset bestämmer de den kemiska sammansättningen av dessa stjärnor och sätter ihop hur vår nuvarande galax och grundämnena i det periodiska systemet kom till. Att hitta en stjärna lika primitiv som SM0313 lägger till ett viktigt kapitel i berättelsen om hur galaxen, universum och livet självt utvecklades.

Några hundra miljoner år efter Big Bang bildades de första stjärnorna av gasformiga moln gjorda av de två lättaste grundämnena, väte och helium, med spår av litium. Med tiden smälte kärnorna i dessa lätta grundämnen samman i de brinnande kärnorna av dessa urstjärnor och skapade tyngre grundämnen som kol, syre och järn. När stjärnorna dog, exploderade som supernovor, drev de ut dessa nya grundämnen i rymden och berikade gasmoln från vilka nya, mer kemiskt olika stjärnor föddes. När efterföljande generationer av stjärnor skapades, blev de allt rikare på metaller, eftersom astronomer kallar alla grundämnen förutom väte och helium.

Frebel säger att uråldriga metallfattiga stjärnor strödda bland de några hundra miljarder yngre stjärnorna i vår galax helt enkelt väntar på att hittas, som gamla burkar med bönor bak i skåpet. Hon analyserar dem med ett teleskopiskt tillbehör som kallas en spektrograf, som delar upp stjärnans ljus i en regnbåge. Eftersom varje element absorberar ljus vid en viss våglängd, kan hon härleda vilka element som finns i stjärnans atmosfär genom att observera de exakta nyanser som saknas i spektrumet.

Det är dock svårt att bestämma en stjärnas ålder. Mycket sällan innehåller en gammal stjärna ett radioaktivt grundämne som uran, vilket gör att astronomer kan använda en teknik som liknar koldatering. 2007 använde Frebel den metoden för att beräkna att en stjärna känd som HE 1523-0901 var ungefär 13,2 miljarder år gammal. Hon och hennes kollegor är helt säkra på att det är från en av de tidigaste generationerna av stjärnor, eftersom universum självt, cirka 13,8 miljarder år, bara är något äldre. Men för stjärnor utan radioaktiva grundämnen är tumregeln att ju färre grundämnen desto äldre är de. Eftersom forskarna kunde härleda överflödet av endast fyra element i SM0313, säger Frebel att det med största sannolikhet tillhör den andra generationen. (De blev också förvånade över det relativa överflödet av kol i en sådan uråldrig stjärna, vilket tyder på att grundämnet var avgörande inte bara för livets uppkomst utan också i det tidiga universum.)

Det som Frebel har övertygat om att det kan vara den äldsta kända stjärnan är att den verkar sakna järn. I metallicitetsskalan som astronomer använder betyder −1,0 att en stjärna har en tiondel av järnhalten i vår sol, −2,0 är en hundradel, och så vidare. År 2002 rapporterade astronomen Norbert Christlieb upptäckten av en stjärna vars metallicitet var −5,2; innan hon disputerade 2006 hittade Frebel en stjärna som kom in på −5,4. Med upptäckten av SM0313, som inte har något detekterbart järn alls, satte Frebel och hennes kollegor ett nytt rekord på -7,1 - eller möjligen ännu mindre eftersom endast en övre gräns kunde fastställas.

Anna Frebel övervakar Magellan-teleskopen vid ett observatorium i Chile.

Frebel började sin strävan som en grundexamen i fysik. Hon tog ledigt ett år från studier i hemlandet Tyskland för att göra astronomiforskning i Australien, där hon fick utsikt över himlen som bara det södra halvklotet kan ge. När hon var där träffade hon Christlieb, då vid universitetet i Hamburg, kort efter att han upptäckt stjärnan -5,2. Jag insåg snabbt att Anna inte är rädd för att utforska okänt territorium och att hon inte är en person som lätt ger upp, minns han.

Efter att ha tagit en doktorsexamen från Australian National University och avslutat postdoktorer vid University of Texas och Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, gick Frebel med på MIT-fakulteten 2012. En stor dragning var institutets tillgång till några av världens mest kraftfulla teleskop. Förra året tillbringade hon 10 nätter med att samla in data med de dubbla Magellan-teleskopen vid Las Campanas-observatoriet i Chile. (Hon är bland dem som erbjuder input till spektrografen för det nya Giant Magellan Telescope, som kommer att ha sex gånger så mycket ljusinsamlingskapacitet som dagens största teleskop.)

Trots den långa resan till detta avlägsna observatorium i Atacamaöknen, säger hon att hon alltid känner sig föryngrad av diamantfläckade himmel . Hela natten sitter hennes ögon fastklistrade vid datorn som registrerar spektraldata. Med instrumenttid så värdefull måste Frebel balansera sina observationer så att hon kan få tillräckligt med data om alla sina målstjärnor. Dvärggalaxer är så mörka att det tar närmare 10 timmar att samla in tillräckligt med fotoner, förklarar hon; ljusa halostjärnor kräver inte så mycket exponering. När vädret inte samarbetar kollar hon e-post eller ägnar sig åt sin hobby med astrofotografering, eftersom molnig himmel ger bra bilder. Hon analyserar uppgifterna först efter att hon kommit hem.

När han växte upp i den lilla staden Göttingen kunde Frebel alltid se stjärnorna på klara nätter – inte så lätt i Boston, med sin orange himmel. Hennes romans med stjärnor började tidigt, men som tonåring övervägde hon seriöst att bli modedesigner. Även om hon inte hade någon formell utbildning, designade och sydde hon många av sina kläder, ofta duplicerade snygga outfits hon gillade eller drömde om sina egna. Till slut vann astronomi för, säger hon, jag älskade det mer. Jag skulle kunna behålla mode som en hobby. Nu, istället för att arbeta med sinnet och händerna för att återskapa mönstret av en klänning, föreställer hon sig hur det tidiga universum kan ha sett ut och samlar in data för att testa sin idé. Jag tror att min klädsömnad gav mig ett träningsverktyg för att utveckla idéer och sedan noggrant driva dem, säger hon.

Frebel är ivrig att dela dessa idéer med allmänheten; Princeton University Press planerar att publicera sin tyska populärvetenskapliga bok, Söker efter de äldsta stjärnorna , i översättning. Och hon arbetar gärna med astronomer av alla slag. Fram till nyligen har teoretiker och observatörer inom det första stjärnfältet i stort sett arbetat utan mycket kontakt, säger Volker Bromm, en professor i astronomi vid University of Texas och en kollaboratör sedan Frebels postdoc-dagar. Anna är unik bland observatörer i sin önskan att interagera med teoretiker, bädda in sina observationer i det stora teoretiska sammanhanget och vägleda dem till relevanta empiriska förutsägelser.

Stjärnarkeologers observationer skakar verkligen upp teoretiska antaganden, som föreställningen att alla tidiga stjärnor sprängdes i massiva explosioner som spydde ut tunga element som järn. Frebel och hennes kollegor tror att stamfadern till SM0313 måste ha gått ut som en dämpad supernova. Endast en lågenergiexplosion skulle ge lättare element som kol men misslyckas med att driva ut tyngre element som järn tillverkat i den ursprungliga stjärnans kärna. Astronomer söker ett dussin andra generationens stjärnor för att stärka denna nya idé.

I maj publicerade Frebel och hennes team sin upptäckt av den minst kemiskt utvecklade galaxen som hittills hittats - Segue 1, som ligger 75 000 ljusår från jorden. Med bara omkring tusen stjärnor, alla metallfattiga, kan denna töntiga galax ge oss en tydligare inblick i förhållandena i det tidiga universum. Men ytterligare studier av dess mörka och avlägsna stjärnor kommer att kräva lite arbete.

Ändå blir våra teleskop bara bättre. Oddsen att hitta de gamla både nära och fjärran – och låsa upp deras hemligheter – verkar vara till Frebels fördel.

Redaktörens notering: Ursprungligen rapporterades det att en stjärna känd som SM0313, som Anna Frebel och kollegor upptäckte i Vintergatans gloria, stödjer teorin att vår galax har vuxit genom att festa på sina grannar. Medan andra bevis tyder på att Vintergatan gör just det, är SM0313s ovanliga kemiska signatur till skillnad från den hos stjärnor i närliggande dvärggalaxer som hittills upptäckts, vilket gör denna stjärna olämplig för att undersöka Vintergatans utveckling.

Dölj