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

Powiedzenie „jesteśmy gwiezdnym pyłem” może być banałem, ale jest niezaprzeczalnym faktem, że większość niezbędnych do życia pierwiastków powstaje w gwiazdach.

„Po raz pierwszy możemy teraz badać rozkład pierwiastków w całej naszej Galaktyce” – mówi Sten Hasselquist z New Mexico State University. „Wśród mierzonych przez nas pierwiastków znajdują się atomy, które stanowią 97% masy ludzkiego ciała.”

Nowe wyniki pochodzą z katalogu ponad 150 000 gwiazd; dla każdej gwiazdy zawiera on ilość każdego z prawie dwóch tuzinów pierwiastków chemicznych. Nowy katalog obejmuje wszystkie tak zwane „elementy CHNOPS” – węgiel, wodór, azot, tlen, fosfor i siarka – znane jako budulec wszelkiego życia na Ziemi. Jest to pierwszy przypadek, kiedy pomiary wszystkich pierwiastków CHNOPS zostały wykonane dla tak dużej liczby gwiazd.

Skąd wiemy, ile każdego z pierwiastków zawiera gwiazda? Oczywiście astronomowie nie mogą odwiedzić gwiazd, aby pobrać próbkę tego, z czego są zbudowane, więc zamiast tego używają techniki zwanej spektroskopią, aby dokonać tych pomiarów. Technika ta rozszczepia światło – w tym przypadku światło pochodzące od odległych gwiazd – na szczegółowe tęcze (zwane widmami). Możemy obliczyć, ile każdego pierwiastka zawiera gwiazda, mierząc głębokość ciemnych i jasnych plam w widmie spowodowanych przez różne pierwiastki.

Astronomowie ze Sloan Digital Sky Survey wykonali te obserwacje przy użyciu spektrografu APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment) na 2,5-metrowym Teleskopie Fundacji Sloana w Apache Point Observatory w Nowym Meksyku. Instrument ten zbiera światło w bliskiej podczerwieni widma elektromagnetycznego i rozprasza je, jak pryzmat, aby ujawnić sygnatury różnych pierwiastków w atmosferach gwiazd. Ułamek z prawie 200 000 gwiazd badanych przez APOGEE pokrywa się z próbką gwiazd namierzanych przez misję NASA Kepler, która została zaprojektowana w celu znalezienia potencjalnie podobnych do Ziemi planet. Prezentowana dziś praca skupia się na dziewięćdziesięciu gwiazdach Keplera, które wykazują dowody na istnienie skalistych planet, a które zostały również zbadane przez APOGEE.

Pomimo, że Sloan Digital Sky Survey może być najbardziej znany z pięknych publicznych zdjęć nieba, od 2008 roku jest to w całości badanie spektroskopowe. Obecne pomiary chemii gwiazdowej wykorzystują spektrograf, który wyczuwa światło podczerwone – spektrograf APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment), zamontowany na 2,5-metrowym Teleskopie Fundacji Sloana w Apache Point Observatory w Nowym Meksyku.

Jon Holtzman z New Mexico State University wyjaśnia, że „pracując w podczerwonej części widma, APOGEE może obserwować gwiazdy w znacznie większej części Drogi Mlecznej, niż gdyby próbował obserwować w świetle widzialnym. Światło podczerwone przechodzi przez pył międzygwiazdowy, a APOGEE pomaga nam szczegółowo obserwować szeroki zakres długości fal, dzięki czemu możemy zmierzyć wzory tworzone przez dziesiątki różnych pierwiastków.”

Nowy katalog już teraz pomaga astronomom uzyskać nowe zrozumienie historii i struktury naszej Galaktyki, ale katalog pokazuje również wyraźny związek człowieka z niebem. Jak powiedział słynny astronom Carl Sagan, „jesteśmy stworzeni z gwiezdnego materiału”. Wiele atomów, które tworzą twoje ciało, powstało kiedyś w odległej przeszłości wewnątrz gwiazd, a atomy te odbyły długie podróże z tych starożytnych gwiazd do ciebie.

Podczas gdy ludzie stanowią 65% masy tlenu, tlen stanowi mniej niż 1% masy wszystkich pierwiastków w kosmosie. Gwiazdy składają się głównie z wodoru, ale niewielkie ilości cięższych pierwiastków, takich jak tlen, mogą być wykryte w widmach gwiazd. Dzięki nowym wynikom, APOGEE znalazł więcej tych cięższych pierwiastków w wewnętrznej Galaktyce. Gwiazdy w wewnętrznej Galaktyce są również starsze, więc oznacza to, że więcej pierwiastków życia zostało zsyntetyzowanych wcześniej w wewnętrznych częściach Galaktyki niż w częściach zewnętrznych.

Choć fajnie jest spekulować, jaki wpływ może mieć skład wewnętrznej Galaktyki na to, gdzie pojawia się życie, jesteśmy dużo lepsi w zrozumieniu powstawania gwiazd w naszej Galaktyce. Ponieważ procesy wytwarzania każdego pierwiastka zachodzą w specyficznych typach gwiazd i przebiegają w różnym tempie, pozostawiają one specyficzne ślady we wzorcach obfitości chemicznej mierzonych przez SDSS/APOGEE. Oznacza to, że nowy katalog obfitości pierwiastków SDSS/APOGEE dostarcza danych do porównań z przewidywaniami modeli formowania się galaktyk.

Jon Bird z Uniwersytetu Vanderbilta, który pracuje nad modelowaniem Drogi Mlecznej, wyjaśnia, że „dane te będą przydatne do poczynienia postępów w zrozumieniu ewolucji Galaktyki, ponieważ powstają coraz bardziej szczegółowe symulacje formowania się naszej Galaktyki, wymagające bardziej złożonych danych do porównań.”

„To wspaniała historia o ludzkim interesie, że jesteśmy teraz w stanie mapować obfitość wszystkich głównych pierwiastków występujących w ludzkim ciele na przestrzeni setek tysięcy gwiazd w naszej Drodze Mlecznej”, powiedziała Jennifer Johnson z The Ohio State University. „To pozwala nam określić, kiedy i gdzie w naszej galaktyce życie miało potrzebne pierwiastki do rozwoju, coś w rodzaju 'tymczasowej galaktycznej strefy zamieszkania'”.

Katalog obfitości chemicznych, na podstawie którego wygenerowano te mapy, został publicznie udostępniony jako część Trzynastego Wydania Danych SDSS i jest dostępny online dla każdego pod adresem www.sdss.org.

Obrazy

About the Sloan Digital Sky Survey

Funding for the Sloan Digital Sky Survey IV has been provided by the Alfred P. Sloan Foundation, the U.S. Department of Energy Office of Science, and the Participating Institutions. SDSS dziękuje za wsparcie i zasoby Centrum Obliczeń Wysokowydajnych na Uniwersytecie Utah. Strona internetowa SDSS to www.sdss.org.

SDSS jest zarządzany przez Astrophysical Research Consortium dla instytucji uczestniczących w SDSS Collaboration, w tym Brazilian Participation Group, Carnegie Institution for Science, Carnegie Mellon University, Chilean Participation Group, French Participation Group, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, 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.