The Elements of Life Mapped Across the Milky Way by SDSS/APOGEE

Zeggen dat “we sterrenstof zijn” is misschien een cliché, maar het is een onmiskenbaar feit dat de meeste essentiële elementen van het leven in sterren worden gemaakt.

“Voor het eerst kunnen we nu de verdeling van elementen over ons Melkwegstelsel bestuderen,” zegt Sten Hasselquist van de New Mexico State University. “De elementen die we meten omvatten de atomen die 97% van de massa van het menselijk lichaam uitmaken.”

De nieuwe resultaten zijn afkomstig van een catalogus van meer dan 150.000 sterren; voor elke ster is de hoeveelheid van elk van bijna twee dozijn chemische elementen opgenomen. De nieuwe catalogus omvat alle zogenaamde “CHNOPS-elementen” – koolstof, waterstof, stikstof, zuurstof, fosfor en zwavel – waarvan bekend is dat zij de bouwstenen zijn van al het leven op aarde. Het is voor het eerst dat voor zo’n groot aantal sterren metingen zijn gedaan van alle CHNOPS-elementen.

Hoe weten we hoeveel van elk element een ster bevat? Astronomen kunnen natuurlijk geen sterren bezoeken om een monster op te lepelen van waar ze van gemaakt zijn, dus in plaats daarvan gebruiken ze een techniek die spectroscopie heet om deze metingen te doen. Deze techniek splitst licht – in dit geval het licht van verre sterren – op in gedetailleerde regenbogen (spectra genoemd). We kunnen uitrekenen hoeveel van elk element een ster bevat door de diepte van de donkere en heldere vlekken in de spectra te meten die door verschillende elementen worden veroorzaakt.

Astronomen in de Sloan Digital Sky Survey hebben deze waarnemingen gedaan met behulp van de APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment) spectrograaf op de 2,5 meter lange Sloan Foundation Telescope van het Apache Point Observatory in New Mexico. Dit instrument verzamelt licht in het nabij-infrarode deel van het elektromagnetische spectrum en verspreidt dit, als een prisma, om handtekeningen van verschillende elementen in de atmosferen van sterren zichtbaar te maken. Een fractie van de bijna 200.000 sterren die door APOGEE zijn onderzocht, overlapt met de steekproef van sterren waarop de Kepler-missie van de NASA zich richt, die is ontworpen om mogelijk aardachtige planeten te vinden. Het vandaag gepresenteerde werk is gericht op negentig Kepler-sterren die rotsachtige planeten kunnen herbergen en die ook door APOGEE zijn onderzocht.

Hoewel de Sloan Digital Sky Survey misschien het bekendst is om zijn prachtige publieke beelden van de hemel, is het sinds 2008 volledig een spectroscopisch onderzoek. De huidige metingen van de stellaire chemie maken gebruik van een spectrograaf die infrarood licht waarneemt – de APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment) spectrograaf, gemonteerd op de 2,5-meter Sloan Foundation Telescope op het Apache Point Observatory in New Mexico.

Jon Holtzman van de New Mexico State University legt uit dat “door in het infrarode deel van het spectrum te werken, APOGEE sterren in een veel groter deel van de Melkweg kan zien dan wanneer het in zichtbaar licht zou proberen waar te nemen. Infrarood licht gaat door het interstellaire stof, en APOGEE helpt ons om een breed scala aan golflengten in detail waar te nemen, zodat we de patronen kunnen meten die door tientallen verschillende elementen worden gecreëerd.”

De nieuwe catalogus helpt astronomen nu al om een nieuw inzicht te krijgen in de geschiedenis en de structuur van ons Melkwegstelsel, maar de catalogus laat ook een duidelijke menselijke band met de hemel zien. Zoals de beroemde astronoom Carl Sagan zei: “Wij zijn gemaakt van sterrenstof.” Veel van de atomen waaruit je lichaam is opgebouwd, zijn ergens in een ver verleden ontstaan in het binnenste van sterren, en die atomen hebben lange reizen gemaakt van die oude sterren naar jou.

Terwijl mensen voor 65% uit zuurstof bestaan, maakt zuurstof minder dan 1% uit van de massa van alle elementen in de ruimte. Sterren bestaan voor het grootste deel uit waterstof, maar in de spectra van sterren kunnen kleine hoeveelheden zwaardere elementen zoals zuurstof worden waargenomen. Met deze nieuwe resultaten heeft APOGEE meer van deze zwaardere elementen in het binnenste sterrenstelsel gevonden. Sterren in het binnenste gedeelte van het Melkwegstelsel zijn ook ouder, dus dit betekent dat meer van de elementen van het leven eerder in het binnenste gedeelte van het Melkwegstelsel zijn gesynthetiseerd dan in het buitenste gedeelte.

Hoewel het leuk is om te speculeren welke invloed de samenstelling van het binnenste Melkwegstelsel zou kunnen hebben op waar leven opduikt, zijn we veel beter in staat om de vorming van sterren in ons Melkwegstelsel te begrijpen. Omdat de processen die elk element produceren in specifieke soorten sterren plaatsvinden en met verschillende snelheden, laten ze specifieke handtekeningen achter in de chemische abundantiepatronen die door SDSS/APOGEE worden gemeten. Dit betekent dat de nieuwe catalogus van elementaire abundanties van SDSS/APOGEE gegevens oplevert die kunnen worden vergeleken met de voorspellingen van modellen voor de vorming van melkwegstelsels.

Jon Bird van de Vanderbilt Universiteit, die werkt aan het modelleren van de Melkweg, legt uit dat “deze gegevens nuttig zullen zijn om vooruitgang te boeken bij het begrijpen van de galactische evolutie, omdat er steeds meer gedetailleerde simulaties van de vorming van ons melkwegstelsel worden gemaakt, waarvoor complexere gegevens nodig zijn om te kunnen vergelijken.”

“Het is een geweldig verhaal voor de mens dat we nu in staat zijn om de abundantie in kaart te brengen van alle belangrijke elementen die in het menselijk lichaam worden aangetroffen bij honderdduizenden sterren in onze Melkweg,” aldus Jennifer Johnson van The Ohio State University. “Dit stelt ons in staat om beperkingen te stellen aan wanneer en waar in ons melkwegstelsel het leven de vereiste elementen had om te evolueren, een soort ‘temporele Galactische bewoonbare zone'”.

De catalogus van chemische abundanties waaruit deze kaarten zijn samengesteld, is openbaar gemaakt als onderdeel van de dertiende datarelease van de SDSS, en is voor iedereen vrij online beschikbaar op www.sdss.org.

Afbeeldingen

Over de Sloan Digital Sky Survey

Financiering voor de Sloan Digital Sky Survey IV is afkomstig van de Alfred P. Sloan Foundation, het U.S. Department of Energy Office of Science, en de deelnemende instellingen. SDSS is dankbaar voor de steun en middelen van het Center for High-Performance Computing van de Universiteit van Utah. De SDSS-website is www.sdss.org.

SDSS wordt beheerd door het Consortium voor Astrofysisch Onderzoek voor de deelnemende instellingen van de SDSS-samenwerking, waaronder de Braziliaanse deelnamegroep, het Carnegie Institution for Science, Carnegie Mellon University, de Chileense deelnamegroep, de Franse deelnamegroep, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Instituto de Astrofísica de Canarias, The Johns Hopkins University, Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (IPMU) / University of Tokyo, Lawrence Berkeley National Laboratory, Leibniz Institut für Astrophysik Potsdam (AIP), Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA Heidelberg), Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA Garching), Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik (MPE), National Astronomical Observatories of China, New Mexico State University, New York University, University of Notre Dame, Observatório Nacional / MCTI, The Ohio State University, Pennsylvania State University, Shanghai Astronomical Observatory, United Kingdom Participation Group, Universidad Nacional Autónoma de México, University of Arizona, University of Colorado Boulder, University of Oxford, University of Portsmouth, University of Utah, University of Virginia, University of Washington, University of Wisconsin, Vanderbilt University, and Yale University.