麻省理工學院的研究人員發現了宇宙中最古老的三顆恆星，它們恰好生活在我們的銀河系附近。包括幾名本科生在內的研究小組在銀河系的”光暈”中發現了這些恆星，”光暈”是包裹著整個主星系盤的恆星雲。根據研究團隊的分析，這三顆恆星形成於120 億至130 億年前，也就是最早的星系形成之時。

麻省理工學院的天文學家發現了三顆宇宙中最古老的恆星，它們就生活在我們的銀河系附近。這些恆星位於銀河系的”光環”中–光環是包裹著主星系盤的恆星雲，它們似乎形成於120 億年至130 億年前，當時第一批星係正在形成。圖片來源：Serge Brunier；NASA

研究人員將這些恆星命名為”SASS”，意為”小增生恆星系統恆星”，因為他們相信每顆恆星都曾經屬於自己的原始小星系，後來被更大但仍在成長的銀河系吸收。如今，這三顆恆星是各自星系僅存的部分。它們環繞著銀河系的外圍，研究團隊懷疑那裡可能還有更多這樣的古老恆星倖存者。

麻省理工學院物理學教授安娜-弗雷貝爾（Anna Frebel）說：”根據我們對星系形成的了解，這些最古老的恆星肯定應該存在。它們是我們宇宙家譜的一部分。我們現在有了找到它們的新方法”。

在發現類似的SASS 恆星後，研究人員希望將它們作為超微弱矮星系的類似物，超微弱矮星係被認為是宇宙中現存的一些最早的星系。這些星係被認為是宇宙中倖存下來的最早的星系。這些星系至今仍然完好無損，但由於距離太遠、太暗，天文學家無法對它們進行深入研究。 SASS恆星可能曾經屬於類似的原始矮星系，但它們位於銀河系中，因此距離銀河系更近，它們可能是了解超暗矮星系演化的一把鑰匙。

研究人員拿著一個裝滿了多年來收集的恆星數據的活頁夾，其中包括恆星亮度隨時間變化的數據。由左至右阿南達-桑托斯（Ananda Santos）、凱西-費恩伯格（Casey Fienberg）和安娜-弗雷貝爾（Anna Frebel）。圖片來源：研究人員提供

弗雷貝爾說：”現在我們可以在銀河系中尋找更多更亮的類似物，研究它們的化學演變，而不必追逐這些極其暗淡的恆星。”

她和同事們於5月14日在《皇家天文學會月刊》（MNRAS）上發表了他們的研究成果。這項研究的共同作者包括約旦扎爾卡大學的穆罕默德-馬爾迪尼（Mohammad Mardini）、23 歲的希拉里-安達萊斯（Hillary Andales）以及麻省理工學院的在學本科生阿南達-桑托斯（ Ananda Santos）和凱西-菲恩伯格（Casey Fienberg）。

團隊的發現源自於一個課堂理念。在2022年秋季學期，弗雷貝爾開設了一門新課程8.S30（觀測恆星考古學），讓學生學習分析古代恆星的技術，然後將這些工具應用於以前從未研究過的恆星，以確定它們的起源。

安達萊斯說：”雖然我們的大多數課程都是從基礎教起，但這門課卻讓我們立即站在了天體物理學研究的前沿。”

學生們根據弗雷貝爾多年來從拉斯坎帕納斯天文台的6.5 米麥哲倫-克萊望遠鏡收集的恆星數據進行研究。她把這些數據的硬拷貝放在她辦公室的一個大活頁夾裡，學生們用這些數據來尋找感興趣的恆星。

特別是，他們正在尋找大爆炸後不久形成的古老恆星，大爆炸發生在138 億年前。當時，宇宙主要由氫和氦組成，其他化學元素（如鍶和鋇）的豐度非常低。因此，學生們在弗雷貝爾的活頁夾中尋找具有光譜或星光測量值的恆星，這些光譜或星光測量值顯示鍶和鋇的豐度很低。

他們的搜尋範圍縮小到了麥哲倫望遠鏡最初在2013 年至2014 年間觀測到的三顆恆星。天文學家從未對這些恆星進行過後續研究，以解讀它們的光譜並推斷它們的起源。因此，它們是弗雷貝爾班學生的理想候選對象。

學生學習如何描述恆星的特徵，以便為分析這三顆恆星的光譜做好準備。他們能夠利用各種恆星模型來確定每一顆恆星的化學成分。恆星光譜中與特定波長的光相對應的特定特徵的強度與特定元素的豐度相對應。

在完成分析後，學生們自信地得出結論：與他們的參照恆星–我們的太陽相比，這三顆恆星的鍶、鋇和其他元素（如鐵）的豐度確實很低。事實上，與今天的太陽相比，其中一顆恆星所含的鐵與氦的比例還不到十萬分之一。

桑托斯回憶說：『我們花了很多時間盯著電腦，進行大量的調試，瘋狂地互相發短信和電子郵件，才弄清楚這個問題。”這是一個很大的學習曲線，也是一次特殊的經歷。 “

這些恆星的低化學豐度確實暗示它們最初形成於120 億到130 億年前。事實上，它們的低化學特徵與天文學家先前測量到的一些古老的超微弱矮星系相似。研究小組的恆星是否起源於類似的星系？它們又是如何來到銀河系的呢？

憑直覺，科學家們查看了這些恆星的軌道模式以及它們在天空中的移動方式。這三顆恆星位於銀河光環的不同位置，估計距離地球約3 萬光年。 (作為參考，銀河系的圓盤橫跨10 萬光年）。

研究團隊利用蓋亞天體測量衛星的觀測數據追溯了每顆恆星圍繞銀河中心的運動軌跡，他們注意到了一個奇怪的現象：相對於主圓盤中大多數像賽車場上的賽車一樣運動的恆星，這三顆恆星似乎都走錯了方向。在天文學中，這種現象稱為”逆行”，是天體曾經”吸積”或從別處吸入的提示。

弗雷貝爾說：”只有把明星扔到錯誤的地方，才能讓他們與其他明星走錯方向。”

這三顆恆星的運作方式與銀河系盤的其他部分甚至光環都完全不同，再加上它們的化學豐度很低，這有力地證明了這些恆星確實很古老，曾經屬於更古老、更小的矮星系，它們以隨機的角度墜入銀河系，並在數十億年後繼續其頑強的運行軌跡。

弗萊貝好奇地想知道，天文學家以前分析過的光環中的其他古老恆星是否也有逆行現象，於是他翻閱了科學文獻，發現還有65 顆同樣具有低鍶和低鋇豐度的恆星似乎也在逆行。

研究團隊正在繼續尋找其他古老的SASS 恆星，他們現在有了一個相對簡單的方法：首先，尋找化學豐度低的恆星，然後追蹤它們的軌道模式，尋找逆行運動的跡象。在銀河系中的4000 多億顆恆星中，他們預計這種方法將發現一小部分宇宙中最古老的恆星。

弗萊貝計劃在今年秋天重開這門課，回顧第一門課程和三位將成果發表的學生，他充滿了敬佩和感激之情。

“能與三位女大學生共事真是太棒了。這對我來說還是第一次，”她說。 “這確實是麻省理工學院工作方式的一個範例。我們就是這樣做的。無論誰說’我想參加’，他們都能做到，而且會有好事發生”。

編譯來源：ScitechDaily