علماء الفلك يحفرون النجوم التي ولدت مجرة ​​درب التبانة

منذ حوالي 20 عامًا ، كان لدى علماء الفلك كافح للعثور على مجموعة قديمة من النجوم مختلطة بالغاز والغبار والنجوم الأحدث لانتفاخ مجرتنا. هذه النجوم "الأحفورية" سبقت مجرة ​​درب التبانة وكان من المفترض تمييزها من خلال كيمياءها ومداراتها المميزة. ومع ذلك ، حتى وقت قريب ، تم العثور على عدد قليل منهم فقط.

الآن ، كشفت الجهود الحثيثة باستخدام التعلم الآلي كثيف البيانات عن مجموعة دفينة منهم ، مما أدى إلى التركيز على ميزاتهم ومصائرهم. مكنت الطرق المستخدمة في اكتشافهم العلماء من تحديث فهمهم لتشكيل مجرة ​​درب التبانة ومجرات القرص بشكل عام.

النظريات المتنافسة

يعتقد علماء الفلك أن مجرة ​​درب التبانة سبقها شيء يسمى المجرة البدائية - مكان عنيف وفوضوي يحتوي على نجوم شابة ذات مدارات برية. تبدأ قصة أصلها بمصداقية كافية. بعد الانفجار العظيم ، اندمجت المادة المظلمة في منطقتنا الفضائية. تجتذب المادة المظلمة المادة العادية. ثم ظهرت الموجات الأولى من النجوم ، ولكن كيف وصلت هذه النجوم كان هناك تخمين لأي شخص.

قال: "لم يكن لدى الناس حقًا فكرة جيدة عما تبدو عليه المجرة البدائية" فيدانت شاندرا، عالم الفيزياء الفلكية في جامعة هارفارد وأحد المؤلفين الرئيسيين في أ ورقة الزوار تفصيل اكتشافات النجوم القديمة.

بحلول عام 2000 ، استقر العلماء اثنين من نظريات التكوين. إما أن تكون المجرة البدائية قد ولدت النجوم الأولى لمجرة درب التبانة داخليًا ، حيث اندمج الغاز في النجوم ، أو قامت بتفكيك المجرات الأخرى ، وتمزيق النجوم وسحب المادة المظلمة. لتسوية السؤال ، سيحتاج علماء الفلك إلى عزل مجموعة النجوم الأولى لمجرة درب التبانة. تم تحديد الدراسات النجوم المرشحة، ولكن إذا كانت نظرية المشتل الداخلي صحيحة ، فإن عددًا أكبر بكثير من الأحافير لم يتم اكتشافه.

وصلت فرصة العثور عليهم في عام 2022 عندما وصلت وكالة الفضاء الأوروبية تلسكوب غايا الفضائي أصدرت مجموعتها الكاملة الثالثة من البيانات ، تسمى DR3. تم إطلاق Gaia منذ 10 سنوات لمسح مجرة ​​درب التبانة ، وقد تم تضمين كل إصدار متتالي من البيانات قياسات أكثر دقة للموقع من الإصدارات السابقة.

الأهم من ذلك ، أن DR3 يتضمن أيضًا أطياف نجمية - قياسات لمدى سطوع نجم عند أطوال موجية مختلفة من الضوء. تُستخدم قياسات قياس الطيف هذه بشكل شائع لفحص العناصر الكيميائية داخل النجم.

لتحديد تواريخ ميلاد النجوم ، اعتمد الفريق على تقنية التحليل الطيفي القياسية التي تبحث عن تواقيع العناصر الثقيلة. (في علم الفلك ، تعني كلمة "ثقيل" أي شيء أكثر ضخامة من الهيدروجين أو الهيليوم.) مع تقدم الكون في العمر ، تنفجر النجوم الغنية بالهيدروجين في مستعرات أعظم وتموت ، وتقذف عناصر مثل الكربون والأكسجين. تتحد هذه المادة بعد ذلك لتشكل نجومًا جديدة ذات عناصر أثقل ، تُعرف أيضًا بالنجوم الغنية بالمعادن. لذا فإن النجوم الحديثة غنية بالمعادن ، والنجوم الفقيرة بالمعادن لابد أنها نشأت في المجرة البدائية.

أجهزة الكشف عن المعادن

عندما رأى الفريق بيانات Gaia DR3 ، شعروا بخيبة أمل عندما اكتشفوا أن قراءات مقياس الطيف كانت واسعة جدًا بحيث لا تكشف عن قمم كيميائية فردية. "تم إطلاق المعلومات الطيفية لنحو 200 مليون نجم ، ولكن هذه أطياف منخفضة الدقة للغاية. قال شاندرا: "إذا نظرت إلى الطيف فهو مجرد مجموعة من الاهتزازات".

لذلك لجأ الفريق إلى التعلم الآلي لاستخراج إشارات العناصر الأثقل من الأطياف الصاخبة منخفضة الدقة. استخدموا خوارزمية جاهزة تسمى XGBoost ، ودربوها باستخدام بيانات طيفية عالية الجودة من استطلاعات أخرى. من خلال هذا التدريب ، تمكنت الخوارزمية من الكشف عن معدنية النجوم بناءً فقط على اهتزازات Gaia منخفضة الجودة. عندما راجع الفريق توقعاتهم مقابل البيانات التي تم جمعها من خلال ثلاثة استطلاعات مستقلة أخرى عالية الجودة للسماء في ثلاثة أقسام فريدة من مجرة ​​درب التبانة ، وجدوا اتفاقًا وثيقًا.

بالنظر إلى الأسرار الداخلية للخوارزمية ، وجد تشاندرا أنها قررت وفرة العناصر الثقيلة للنجم تعتمد بشكل حصري تقريبًا على خطوط امتصاص الكالسيوم والمغنيسيوم للنجم. كما أنها تصحح لمصادر الخطأ المحتملة ، مثل التشابكات الكثيفة للغبار والغاز الكوني التي تقع بين الأرض ومركز درب التبانة. وقال: "شكل تلك الاهتزازات سيتغير إذا كان هناك الكثير من الغبار في خط رؤية النجم". "وهذا مهم لأننا ندرس مركز المجرة المليء بالغبار."

قام الفريق بتقليص عدد سكانه 1.5 مليون نجم إلى حوالي 18,000 نجم مبكر مع نسبة معدنية منخفضة تقع في انتفاخ مجرة ​​درب التبانة. قال: "قبل عقد من الزمن ، شعرت بسعادة غامرة لأخذ عينة من ما يقرب من 1,000 نجم منتفخ منخفض المعادن" ميليسا نيس، عالم فلك في جامعة كولومبيا. "نحن الآن في نظام يضم عدة آلاف من هؤلاء النجوم فقراء المعادن. هذه مجموعة بيانات لا تصدق للعمل معها ".

لا يزال الباحثون بحاجة للإجابة على سؤال واحد آخر على الأقل: إلى أين تتجه نجوم المجرة البدائية؟ جاءت الإجابة من نوع آخر من القياس متوفر حديثًا في إصدار Gaia DR3 - السرعة التي تتحرك بها النجوم على طول خط بصرنا. أتاحت معرفة هذه السرعة الكشف عن مدار كل نجم.

ما ظهر كان صورة لمجرة بدائية على شكل هالة ، كما توقع بعض المنظرين. تدور مجموعة النجوم المسنة الفقيرة بالمعادن في كرة صغيرة ضيقة نصف قطرها 9,000 سنة ضوئية ، والتي أطلق عليها الفريق اسم "القلب المسكين" لمجرة درب التبانة.

بشكل عام ، تشير النتائج إلى أن المجرة البدائية لم تسرق النجوم من المجرات الأخرى. إذا كان الأمر كذلك ، فإن مداراتهم النجمية ستتجه نحو مناطق خارج مجرة ​​درب التبانة.

المزيد من الوحي

نظرًا لوجود قياسات السرعة والقياس الطيفي بالفعل لـ 1.5 مليون نجم من نجوم مجرة ​​درب التبانة ، ألقى شاندرا بصره على النظريات ذات الصلة التي يمكن التحقق منها. برزت واحدة حديثة.

في 2022، اثنان أوراق ألمح إلى جدول زمني لتشكيل قرص مجرة ​​درب التبانة. تذهب النظرية إلى أنه بعد ظهور المجرة البدائية ، "تغلي" المنطقة ، حيث تجمع الغازات وتنتج نجومًا فقيرة بالمعادن. بعد مليار سنة ، "غلت" المجرة الناشئة ، وولدت بشكل محموم نجومًا غنية بالمعادن لمدة 2 مليار إلى 3 مليارات سنة. كانت هذه النجوم الجديدة مختلفة. لقد اتبعوا مدارات مسطحة. عندما بردت المجرة ، تشكل قرص رفيع للغاية ، ممتلئًا بالنجوم المصقولة حديثًا (بما في ذلك شمسنا) تتحرك في مدارات دائرية مرتبة حول مركز المجرة.

أكدت 1.5 مليون نجم في مجموعة بيانات Chandra هذا الجدول الزمني. وأوضح أن "ما ننظر إليه هو أن مجرة ​​درب التبانة تدور لأول مرة". "أنت ترى بشكل أساسي ولادة قرص المجرة." يستخدم هو وزملاؤه الآن مجموعة بيانات كاملة من 30 مليون نجمة لتقديم نظرة أكثر شمولاً. "كان التضخم محيرًا رسميًا لعقود من الزمان ،" ويل كلاركسون، عالم فلك في جامعة ميشيغان ، ديربورن. "لقد كان هذا فتحًا جيدًا لنافذة جديدة على هؤلاء السكان الأحفوريين."