Waarnemingen door een internationaal team van astronomen met de UVES-spectrometer op ESO's Very Large Telescope bij de Paranal Observatory (Chili) hebben nieuw licht geworpen op het vroegste tijdperk van de Melkweg.
De allereerste meting van het berylliumgehalte in twee sterren in een bolhoop (NGC 6397) - waarmee de huidige astronomische technologie tot het uiterste wordt gedreven - heeft het mogelijk gemaakt om de vroege fase tussen de vorming van de eerste generatie sterren in de Melkweg te bestuderen. Weg en die van deze sterrencluster. Dit tijdsinterval bleek 200 - 300 miljoen jaar te bedragen.
De leeftijd van de sterren in NGC 6397, zoals bepaald door middel van stellaire evolutiemodellen, is 13.400? 800 miljoen jaar. Het optellen van de twee tijdsintervallen geeft de leeftijd van de Melkweg 13.600? 800 miljoen jaar.
De momenteel beste schatting van de leeftijd van het heelal, zoals afgeleid uit bijvoorbeeld metingen van de kosmische microgolfachtergrond, is 13,700 miljoen jaar. De nieuwe waarnemingen geven dus aan dat de eerste generatie sterren in het Melkwegstelsel zich kort na het einde van de ~ 200 miljoen jaar lange "donkere middeleeuwen", die de oerknal opvolgden, vormde.
Het tijdperk van de Melkweg
Hoe oud is de Melkweg? Wanneer ontstonden de eerste sterren in ons sterrenstelsel?
Een goed begrip van de vorming en evolutie van het Melkwegsysteem is cruciaal voor onze kennis van het heelal. Desalniettemin behoren de gerelateerde waarnemingen tot de moeilijkste, zelfs met de krachtigste telescopen die er zijn, omdat ze een gedetailleerde studie van oude, afgelegen en meestal zwakke hemellichamen betreffen.
Bolvormige sterrenhopen en de leeftijd van sterren
Moderne astrofysica is in staat om de leeftijden van bepaalde sterren te meten, dat is de tijd die is verstreken sinds ze zijn gevormd door condensatie in enorme interstellaire wolken van gas en stof. Sommige sterren zijn astronomisch erg 'jong', slechts een paar miljoen jaar oud zoals die in de nabijgelegen Orionnevel. De zon en zijn planetenstelsel werden ongeveer 4.560 miljoen jaar geleden gevormd, maar veel andere sterren vormden veel eerder. Enkele van de oudste sterren in de Melkweg zijn te vinden in grote sterrenhopen, met name in "bolhopen" (PR Foto 23a / 04), zo genoemd vanwege hun bolvorm.
Sterren die tot een bolhoop behoren, zijn samen geboren, uit dezelfde wolk en tegelijkertijd. Omdat sterren van verschillende massa's met verschillende snelheden evolueren, is het mogelijk om de leeftijd van bolhopen met een redelijk goede nauwkeurigheid te meten. De oudste zijn meer dan 13.000 miljoen jaar oud.
Toch waren die clustersterren niet de eerste sterren die in de Melkweg werden gevormd. We weten dit, omdat ze kleine hoeveelheden van bepaalde chemische elementen bevatten die moeten zijn gesynthetiseerd in een eerdere generatie van massieve sterren die na een kort en energetisch leven als supernova's explodeerden. Het verwerkte materiaal werd afgezet in de wolken waaruit de volgende generaties sterren werden gemaakt, vgl. ESO PR 03/01.
Ondanks intensieve zoektochten was het tot nu toe niet mogelijk om minder zware sterren van deze eerste generatie te vinden die vandaag de dag nog schijnt. Daarom weten we niet wanneer deze eerste sterren zijn gevormd. Voorlopig kunnen we alleen maar zeggen dat de Melkweg ouder moet zijn dan de oudste bolhoopsterren.
Maar hoeveel ouder?
Beryllium schiet te hulp
Wat astrofysici graag zouden willen hebben, is daarom een methode om het tijdsinterval tussen de vorming van de eerste sterren in de Melkweg (waarvan velen al snel supernova's werden) te meten en het moment waarop de sterren in een bolhoop van bekende leeftijd werden gevormd. De som van dit tijdsinterval en de leeftijd van die sterren zou dan de leeftijd van de Melkweg zijn.
Nieuwe waarnemingen met de VLT op de ESO-sterrenwacht op Paranal hebben nu een doorbraak in deze richting veroorzaakt. Het magische element is "Beryllium"!
Beryllium is een van de lichtste elementen [2] - de kern van de meest voorkomende en stabiele isotoop (Beryllium-9) bestaat uit vier protonen en vijf neutronen. Alleen waterstof, helium en lithium zijn lichter. Maar terwijl die drie werden geproduceerd tijdens de oerknal, en hoewel de meeste zwaardere elementen later werden geproduceerd in het binnenste van sterren, kan Beryllium-9 alleen worden geproduceerd door 'kosmische spallatie'. Dat wil zeggen door fragmentatie van snel bewegende zwaardere atoomkernen - afkomstig uit de genoemde supernova-explosies die energetische 'galactische kosmische straling' worden genoemd - wanneer ze botsen met lichte kernen (meestal protonen en alfadeeltjes, dwz waterstof- en heliumkernen) in de interstellair medium.
Galactische kosmische straling en de Beryllium-klok
De galactische kosmische straling reisde over de hele vroege Melkweg, geleid door het kosmische magnetische veld. De resulterende productie van beryllium was vrij uniform binnen de melkweg. De hoeveelheid Beryllium nam met de tijd toe en daarom zou het kunnen werken als een "kosmische klok".
Hoe langer de tijd verstreek tussen de vorming van de eerste sterren (of, beter gezegd, hun snelle ondergang in supernova-explosies) en de vorming van de bolvormige sterren, des te hoger was het berylliumgehalte in het interstellaire medium waaruit ze waren gevormd . Ervan uitgaande dat dit Beryllium wordt bewaard in de stellaire atmosfeer, hoe meer Beryllium er in zo'n ster wordt aangetroffen, des te langer is het tijdsinterval tussen de vorming van de eerste sterren en van deze ster.
Het Beryllium kan ons daarom unieke en cruciale informatie geven over de duur van de vroege stadia van de Melkweg.
Een heel moeilijke observatie
Tot nu toe zo goed. De theoretische grondslagen voor deze dateringsmethode zijn de afgelopen drie decennia ontwikkeld en dan is alles wat nodig is om het berylliumgehalte in sommige bolhoopsterren te meten.
Maar zo simpel is het niet! Het grootste probleem is dat beryllium wordt vernietigd bij temperaturen boven een paar miljoen graden. Wanneer een ster evolueert naar de lichtgevende reuzenfase, treedt gewelddadige beweging (convectie) op, komt het gas in de bovenste stellaire atmosfeer in contact met het hete interne gas waarin al het beryllium is vernietigd en het aanvankelijke berylliumgehalte in de stellaire atmosfeer is dus aanzienlijk verdund. Om de Beryllium-klok te gebruiken, is het daarom nodig om de inhoud van dit element te meten in minder zware, minder ontwikkelde sterren in de bolhoop. En deze zogenaamde "uitschakel (TO) sterren" zijn intrinsiek zwak.
In feite is het technische probleem dat moet worden opgelost drievoudig: ten eerste zijn alle bolhopen vrij ver weg en aangezien de te meten sterren intrinsiek zwak zijn, lijken ze vrij zwak aan de hemel. Zelfs in NGC6397, de op één na dichtstbijzijnde bolhoop, hebben de TO-sterren een visuele magnitude van ~ 16 of 10.000 keer zwakker dan de zwakste ster die met het blote oog zichtbaar is. Ten tweede zijn er slechts twee Beryllium-handtekeningen (spectraallijnen) zichtbaar in het stelspectrum en aangezien deze oude sterren relatief weinig beryllium bevatten, zijn die lijnen erg zwak, vooral in vergelijking met naburige spectraallijnen van andere elementen. En ten derde bevinden de twee berylliumlijnen zich in een weinig verkend spectraal gebied bij een golflengte van 313 nm, dat wil zeggen in het ultraviolette deel van het spectrum dat sterk wordt beïnvloed door absorptie in de terrestrische atmosfeer nabij de grens bij 300 nm, waaronder waarnemingen vanaf de grond zijn niet meer mogelijk.
Het is dan ook geen wonder dat dergelijke opmerkingen nooit eerder waren gemaakt, de technische problemen waren gewoonweg onoverkomelijk.
VLT en UVES doen het werk
Met behulp van de hoogwaardige UVES-spectrometer op de 8,2 m Kuyen-telescoop van ESO's Very Large Telescope in het Paranal-observatorium (Chili), dat bijzonder gevoelig is voor ultraviolet licht, slaagde een team van ESO en Italiaanse astronomen [1] erin de eerste betrouwbare te verkrijgen metingen van het berylliumgehalte in twee TO-sterren (aangeduid als "A0228" en "A2111") in de bolhoop NGC 6397 (PR Foto 23b / 04). Gelegen op een afstand van ongeveer 7.200 lichtjaar in de richting van een rijk sterrenveld in het zuidelijke sterrenbeeld Ara, is het een van de twee dichtstbijzijnde sterrenclusters van dit type; de andere is Messier 4.
De waarnemingen werden in de loop van 2003 gedurende meerdere nachten gedaan. In totaal hebben ze meer dan 10 uur blootstelling aan elk van de sterren met een magnitude van 16, de VLT en UVES naar de technische limiet geduwd. Nadenkend over de technologische vooruitgang, is de leider van het team, ESO-astronoom Luca Pasquini, opgetogen: "Een paar jaar geleden zou zo'n waarneming onmogelijk zijn geweest en bleef het de droom van een astronoom!"
De resulterende spectra (PR Photo 23c / 04) van de zwakke sterren tonen de zwakke signatuur van berylliumionen (Be II). Door het waargenomen spectrum te vergelijken met een reeks synthetische spectra met verschillende berylliumgehalten (in astrofysica: "overvloed") konden de astronomen de beste pasvorm vinden en zo de zeer kleine hoeveelheid beryllium in deze sterren meten: voor elk berylliumatoom zijn er ongeveer 2.224.000.000.000 waterstofatomen.
Beryllium-lijnen worden ook gezien in een andere ster van hetzelfde type als deze sterren, HD 218052, cf. PR Foto 23c / 04. Het is echter geen lid van een cluster en de leeftijd ervan is lang niet zo bekend als die van de clustersterren. Het Beryllium-gehalte is vrij gelijkaardig aan dat van de clustersterren, wat aangeeft dat deze veldster rond dezelfde tijd als de cluster werd geboren.
Van de oerknal tot nu
Volgens de beste huidige spallatietheorieën moet de gemeten hoeveelheid beryllium zich in de loop van 200 - 300 miljoen jaar hebben opgehoopt. De Italiaanse astronoom Daniele Galli, een ander lid van het team, berekent het volgende: 'Dus nu weten we dat de leeftijd van de Melkweg zoveel meer is dan de leeftijd van die bolhoop - onze melkweg moet daarom 13.600 zijn? 800 miljoen jaar oud. Het is voor het eerst dat we een onafhankelijke bepaling van deze fundamentele waarde hebben verkregen! ”.
Binnen de gegeven onzekerheden past dit aantal ook heel goed bij de huidige schatting van de leeftijd van het heelal, 13.700 miljoen jaar, dat is de tijd die is verstreken sinds de oerknal. Het lijkt er dus op dat de eerste generatie sterren in het Melkwegstelsel werd gevormd rond het einde van de "donkere middeleeuwen", nu vermoedelijk zo'n 200 miljoen jaar na de oerknal.
Het lijkt erop dat het systeem waarin we leven inderdaad een van de 'stichtende' leden van de melkwegbevolking in het heelal is.
Meer informatie
Het onderzoek dat in dit persbericht wordt gepresenteerd, wordt besproken in een artikel met de titel "Wees in uitschakelsterren van NGC 6397: vroege Galaxy-spallatie, kosmochronologie en clustervorming" door L. Pasquini en co-auteurs die zullen worden gepubliceerd in het Europese onderzoeksjournaal "Astronomy & Astrophysics" (astro-ph / 0407524).
Oorspronkelijke bron: ESO-persbericht
