211service.com
De Stellaire Archeoloog
Afgelopen februari kondigden Anna Frebel en haar collega's de ontdekking aan van wat misschien wel de oudst bekende ster is. Op een heldere nacht kan zelfs een amateurastronoom een sterke telescoop trainen op SMSS J031300.36-670839.3, die zich in de halo van de Melkweg bevindt.
SM0313 - de afkorting waarmee het bekend staat - heeft een ongebruikelijke chemische handtekening. Hoewel het waarschijnlijk is ontstaan in een vroeg dwergstelsel dat zich kort na de oerknal heeft gevormd, heeft het geen kenmerken gemeen met de sterren in de tot nu toe ontdekte dwergstelsels. Dit feit heeft astronomen voor een raadsel gesteld. De Melkweg slokt naar alle waarschijnlijkheid dwergstelsels op en neemt hun sterren op in zijn eigen halo, zegt Frebel, een lid van het MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research en een assistent-professor natuurkunde in de Astrophysics Division.
Frebel, 34, behoort tot een nieuw soort astronomen die gezien kunnen worden als stellaire archeologen. In plaats van door lagen vuil te zoeken naar artefacten van vroegere beschavingen, ontginnen ze de hemel op zoek naar licht van oude sterren. Door dat licht te bestuderen, bepalen ze de chemische samenstelling van die sterren en leggen ze uit hoe ons huidige sterrenstelsel en de elementen in het periodiek systeem zijn ontstaan. Het vinden van een zo primitieve ster als SM0313 voegt een belangrijk hoofdstuk toe aan het verhaal van hoe de melkweg, het universum en het leven zelf zich ontvouwden.
Een paar honderd miljoen jaar na de oerknal werden de eerste sterren gevormd uit gasvormige wolken gemaakt van de twee lichtste elementen, waterstof en helium, met sporen van lithium. In de loop van de tijd zijn de kernen van deze lichtgewicht elementen samengesmolten in de vurige kernen van die oersterren, waardoor zwaardere elementen zoals koolstof, zuurstof en ijzer ontstonden. Toen de sterren stierven en explodeerden als supernova's, dreven ze deze nieuwe elementen de ruimte in, waardoor ze de gaswolken verrijkten waaruit nieuwe, meer chemisch diverse sterren werden geboren. Toen volgende generaties sterren werden gecreëerd, werden ze steeds rijker aan metalen, zoals astronomen alle elementen noemen behalve waterstof en helium.
Frebel zegt dat oude metaalarme sterren die tussen de paar honderd miljard jongere sterren in onze melkweg liggen, gewoon wachten om gevonden te worden, als oude blikjes bonen achter in de kast. Ze analyseert ze met een telescopisch hulpstuk dat bekend staat als een spectrograaf, die het licht van de ster splitst in een regenboog. Omdat elk element licht op een bepaalde golflengte absorbeert, kan ze afleiden welke elementen in de atmosfeer van de ster aanwezig zijn door de precieze tinten te observeren die in het spectrum ontbreken.
Het bepalen van de leeftijd van een ster is echter lastig. Zeer zelden bevat een oude ster een radioactief element zoals uranium, waardoor astronomen een techniek kunnen gebruiken die vergelijkbaar is met koolstofdatering. In 2007 gebruikte Frebel die methode om te berekenen dat een ster die bekend staat als HE 1523-0901 ongeveer 13,2 miljard jaar oud was. Zij en haar collega's zijn er vrij zeker van dat het van een van de vroegste generaties sterren is, omdat het universum zelf, met ongeveer 13,8 miljard jaar, slechts iets ouder is. Maar voor sterren zonder radioactieve elementen geldt als vuistregel dat hoe minder elementen, hoe ouder ze zijn. Omdat de onderzoekers de overvloed van slechts vier elementen in SM0313 konden afleiden, zegt Frebel dat het hoogstwaarschijnlijk tot de tweede generatie behoort. (Ze waren ook verrast door de relatieve overvloed aan koolstof in zo'n oude ster, wat suggereert dat het element niet alleen van cruciaal belang was voor het ontstaan van leven, maar ook in het vroege universum.)
Wat Frebel ervan overtuigd heeft dat het misschien wel de oudst bekende ster is, is dat het geen ijzer lijkt te bevatten. In de metalliteitsschaal die astronomen gebruiken, betekent −1,0 dat een ster een tiende van het ijzergehalte van onze zon heeft, −2,0 is een honderdste, enzovoort. In 2002 rapporteerde astronoom Norbert Christlieb de ontdekking van een ster waarvan de metalliciteit −5,2 was; voordat ze haar proefschrift in 2006 verdedigde, vond Frebel een ster die binnenkwam bij −5.4. Met de ontdekking van SM0313, dat helemaal geen detecteerbaar ijzer bevat, vestigden Frebel en haar collega's een nieuw record op −7.1 - of mogelijk zelfs minder omdat er alleen een bovengrens kon worden bepaald.
Anna Frebel houdt de Magellan-telescopen in de gaten bij een observatorium in Chili.
Frebel begon haar zoektocht als een bachelor natuurkunde. Ze nam een jaar vrij van haar studie in haar geboorteland Duitsland om astronomisch onderzoek te doen in Australië, waar ze uitzicht op de lucht kreeg dat alleen het zuidelijk halfrond kan bieden. Daar ontmoette ze Christlieb, destijds van de Universiteit van Hamburg, kort nadat hij de −5.2-ster had ontdekt. Ik realiseerde me al snel dat Anna niet bang is om onbekend terrein te verkennen en dat ze niet iemand is die snel opgeeft, herinnert hij zich.
Na het behalen van een doctoraat aan de Australian National University en het voltooien van postdocs aan de University of Texas en het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, trad Frebel in 2012 toe tot de MIT-faculteit. Een grote aantrekkingskracht was de toegang van het Instituut tot enkele van 's werelds krachtigste telescopen. Vorig jaar bracht ze 10 nachten door met het verzamelen van gegevens met de twee Magellan-telescopen van het observatorium Las Campanas in Chili. (Ze is een van degenen die input levert voor de spectrograaf van de nieuwe Giant Magellan Telescope, die zes keer de lichtopvangcapaciteit zal hebben van de grootste telescopen van vandaag.)
Ondanks de lange reis naar dit afgelegen observatorium in de Atacama-woestijn, zegt ze dat ze zich altijd als herboren voelt door de met diamanten gevlekte luchten . De hele nacht zijn haar ogen gekluisterd aan de computer die de spectrale gegevens opneemt. Omdat de instrumenttijd zo kostbaar is, moet Frebel haar waarnemingen in evenwicht brengen, zodat ze genoeg gegevens over al haar doelsterren kan krijgen. Dwergstelsels zijn zo zwak dat het bijna 10 uur duurt om voldoende fotonen te verzamelen, legt ze uit; heldere halo-sterren hebben niet zoveel belichting nodig. Als het weer niet meewerkt, checkt ze e-mail of geeft ze zich over aan haar hobby van astrofotografie, want wolkenluchten zorgen voor mooie foto's. Ze analyseert de gegevens pas als ze thuiskomt.
Frebel groeide op in het kleine stadje Göttingen en kon op heldere nachten altijd de sterren zien - niet zo gemakkelijk in Boston, met zijn oranje luchten. Haar romance met sterren begon al vroeg, maar als tiener overwoog ze serieus om modeontwerper te worden. Hoewel ze geen formele opleiding had genoten, ontwierp en naaide ze veel van haar kleding, waarbij ze vaak fancy outfits dupliceerde die ze leuk vond of die ze zelf bedacht. Uiteindelijk won de astronomie omdat, zegt ze, ik er meer van hield. Ik zou mode als hobby kunnen houden. Nu, in plaats van met haar geest en handen te werken om het patroon van een jurk opnieuw te creëren, stelt ze zich voor hoe het vroege universum eruit zou kunnen zien en verzamelt ze gegevens om haar idee te testen. Ik denk dat mijn kleermakerij me een trainingsinstrument heeft gegeven om ideeën te ontwikkelen en ze vervolgens rigoureus na te streven, zegt ze.
Frebel deelt die ideeën graag met het publiek; Princeton University Press is van plan haar Duitse populairwetenschappelijke boek te publiceren, Op zoek naar de oudste sterren , in vertaling. En ze werkt graag samen met astronomen van alle niveaus. Tot voor kort werkten theoretici en waarnemers in het veld van de eerste sterren grotendeels zonder veel contact, zegt Volker Bromm, een astronomieprofessor aan de Universiteit van Texas en een medewerker sinds Frebels postdoctijd. Anna is uniek onder de waarnemers in haar verlangen om te communiceren met theoretici, haar observaties in te bedden in de grote theoretische context en hen te leiden naar relevante empirische voorspellingen.
De waarnemingen van stellaire archeologen doen zeker theoretische aannames door elkaar schudden, zoals het idee dat alle vroege sterren opblies in enorme explosies die zware elementen zoals ijzer uitspuwden. Frebel en haar collega's geloven dat de stamvader van SM0313 moet zijn verdwenen als een ingetogen supernova. Alleen een explosie met lage energie zou lichtere elementen zoals koolstof opleveren, maar zwaardere elementen zoals ijzer die in de oorspronkelijke kern van de ster zijn gemaakt, niet verdrijven. Astronomen zoeken een dozijn andere sterren van de tweede generatie om dit nieuwe idee te ondersteunen.
In mei publiceerden Frebel en haar team hun ontdekking van het minst chemisch geëvolueerde sterrenstelsel dat tot nu toe is gevonden: Segue 1, op 75.000 lichtjaar van de aarde. Met slechts ongeveer duizend sterren, allemaal metaalarm, zou dit slappe sterrenstelsel ons een duidelijker inzicht kunnen geven in de omstandigheden van het vroege universum. Maar verdere studie van zijn vage en verre sterren zal wat werk vergen.
Toch worden onze telescopen alleen maar beter. De kans om de Ouden zowel dichtbij als veraf te vinden - en hun geheimen te ontrafelen - lijkt in het voordeel van Frebel te zijn.
Noot van de redactie: Oorspronkelijk werd gemeld dat een ster die bekend staat als SM0313, die Anna Frebel en collega's ontdekten in de halo van de Melkweg, de theorie ondersteunt dat onze melkweg is gegroeid door te smullen van zijn buren. Hoewel ander bewijs suggereert dat de Melkweg precies dat doet, is de ongebruikelijke chemische handtekening van SM0313 anders dan die van sterren in nabijgelegen dwergstelsels die tot nu toe zijn ontdekt, waardoor deze ster ongeschikt is voor het onderzoeken van de evolutie van de Melkweg.