Astronomer graver stjernerne op, der fødte Mælkevejen

I omkring 20 år har astronomer kæmpet at finde en ældgammel gruppe stjerner blandet med gas, støv og nyere stjerner i vores galakses bule. Disse "fossile" stjerner gik forud for Mælkevejen og burde have været kendelige ved deres karakteristiske kemi og baner. Men indtil for nylig var kun et lille antal af dem nogensinde blevet fundet.

Nu har en målrettet indsats ved hjælp af dataintensiv maskinlæring afsløret en masse af dem, der sætter fokus på deres funktioner og skæbner. Metoderne brugt i deres opdagelse har gjort det muligt for forskere at opdatere deres forståelse af Mælkevejens dannelse og af diskgalakser generelt.

Konkurrerende teorier

Astronomer mener, at Mælkevejen blev forudgået af noget, der kaldes en proto-galakse - et voldeligt, kaotisk sted, der indeholder unge stjerner med vilde baner. Dens oprindelseshistorie starter troværdigt nok. Efter Big Bang smeltede mørkt stof sammen i vores område i rummet. Det mørke stof tiltrak almindeligt stof. De første bølger af stjerner opstod så, men hvordan disse stjerner kom dertil, var nogens gæt.

"Folk havde ikke en rigtig god idé om, hvordan proto-galaksen så ud," sagde Vedant Chandra, en astrofysiker ved Harvard University og en af ​​hovedforfatterne på en nyligt papir beskriver de gamle stjernefund.

I 2000'erne havde forskerne slået sig fast to dannelsesteorier. Enten fødte proto-galaksen Mælkevejens første stjerner internt, da gas smeltede sammen til stjerner, eller også kannibaliserede den andre galakser, rev stjerner ud og sugede mørkt stof af. For at afgøre spørgsmålet ville astronomer være nødt til at isolere Mælkevejens tidligste stjernepopulation. Undersøgelser identificeret kandidatstjerner, men hvis intern-planteskoleteorien var korrekt, lå en meget større fossilbestand uopdaget.

Muligheden for at finde dem kom i 2022, da Den Europæiske Rumorganisations Gaia rumteleskop udgivet sit tredje fulde sæt af data, kaldet DR3. Gaia blev lanceret for 10 år siden for at undersøge Mælkevejen, og hver efterfølgende dataudgivelse har inkluderet mere nøjagtige positionsmålinger end tidligere udgivelser.

Det er vigtigt, at DR3 også inkluderede stjernespektre - målinger af, hvor lys en stjerne er ved forskellige bølgelængder af lys. Disse spektrometrimålinger bruges almindeligvis til at undersøge de kemiske grundstoffer inde i en stjerne.

For at bestemme stjernens fødselsdatoer stolede holdet på en standard spektroskopisk teknik, der leder efter signaturer af tunge elementer. (I astronomi betyder "tung" alt, hvad der er mere massivt end brint eller helium.) Efterhånden som universet ældes, detonerer brintrige stjerner til supernovaer og dør og udspyder elementer som kulstof og ilt. Dette materiale smelter derefter sammen til nye stjerner med tungere grundstoffer, også kendt som metalrige stjerner. Så nyere stjerner er metalrige, og metalfattige stjerner må have sin oprindelse i proto-galaksen.

Metaldetektorer

Da holdet så Gaia DR3-dataene, var de dog skuffede over at opdage, at spektrometeraflæsningerne var for brede til at afsløre individuelle kemiske toppe. "Spektralinformationen for omkring 200 millioner stjerner blev frigivet, men disse er spektre med meget lav opløsning. Hvis du ser på spektret, er det bare en flok vrikker,” sagde Chandra.

Så holdet henvendte sig til maskinlæring for at udtrække signalerne fra tungere elementer fra de støjende spektre med lav opløsning. De brugte en hyldevare algoritme kaldet XGBoost, og trænede den ved hjælp af højkvalitets spektraldata fra andre undersøgelser. Med denne træning var algoritmen i stand til at afsløre stjernernes metallicitet udelukkende baseret på Gaia-vrikker af lav kvalitet. Da holdet dobbelttjekkede deres forudsigelser mod data indsamlet af tre andre uafhængige himmelundersøgelser af høj kvalitet i tre unikke sektioner af Mælkevejen, fandt de tæt enighed.

Ved at se på algoritmens indre hemmeligheder fandt Chandra ud af, at den besluttede en stjernes overflod af tunge grundstoffer næsten udelukkende baseret på stjernens calcium- og magnesiumabsorptionslinjer. Den korrigerede også for potentielle fejlkilder, såsom de tætte virvar af kosmisk støv og gas, der ligger mellem Jorden og Mælkevejens centrum. "Formen af ​​disse vrikker vil ændre sig, hvis der er meget støv i sigtelinjen til stjernen," sagde han. "Og det er vigtigt, fordi vi studerer centrum af galaksen, som er fyldt med støv."

Holdet reducerede en befolkning på 1.5 millioner stjerner til omkring 18,000 tidlige stjerner med lav metallicitet placeret i Mælkevejens bule. "For et årti siden var jeg begejstret over at have en prøve på næsten 1,000 bule-stjerner med lav metallicitet," sagde Melissa Ness, en astronom ved Columbia University. »Vi er nu i et regime med mange tusinde af disse metalfattige stjerner. Det er et utroligt datasæt at arbejde med.”

Forskerne manglede stadig at besvare mindst et spørgsmål mere: Hvor var proto-galaksens stjerner på vej hen? Svaret kom fra en anden type måling, der for nylig er tilgængelig i Gaia DR3-udgivelsen - den hastighed, hvormed stjernerne bevæger sig langs vores synslinje. At kende denne hastighed gjorde det muligt at afdække hver stjernes kredsløb.

Det, der dukkede op, var et portræt af en halo-formet proto-galakse, som forudset af nogle teoretikere. Befolkningen af ​​ældre, metalfattige stjerner kredsede i en lille, stram kugle med en radius på 9,000 lysår, som holdet kaldte Mælkevejens "fattige gamle hjerte".

Samlet set tyder resultaterne på, at proto-galaksen ikke stjal stjerner fra andre galakser. Hvis det var tilfældet, ville deres stjernebaner være på vej mod områder uden for Mælkevejen.

Flere åbenbaringer

Med hastigheds- og spektrometrimålingerne allerede i hånden for 1.5 millioner Mælkevejsstjerner, kastede Chandra sit blik på relaterede teorier, der kunne kontrolleres. En af de seneste skilte sig ud.

I 2022, blev to papirer antydet en tidslinje for Mælkevejens skivedannelse. Teorien siger, at efter at proto-galaksen opstod, "simrede" regionen, opsamlede gas og skabte metalfattige stjerner. Efter en milliard år "kogte den nye galakse" og fødte febrilsk metalrige stjerner i 2 milliarder til 3 milliarder år. Disse nyere stjerner var anderledes. De fulgte fladere baner. Da galaksen kølede af, dannede der sig en knivtynd skive, fyldt med de nyligt prægede stjerner (inklusive vores sol), der bevægede sig i ryddelige cirkulære baner omkring det galaktiske centrum.

De 1.5 millioner stjerner i Chandras datasæt bekræftede denne tidslinje. "Det, vi ser på, er, at Mælkevejen drejer op for første gang," forklarede han. "Du ser i bund og grund fødslen af ​​galaksens skive." Han og hans kolleger bruger nu det fulde datasæt på 30 millioner stjerner til at give et endnu mere omfattende udseende. "Bulen har officielt været forvirrende i årtier," Will Clarkson, en astronom ved University of Michigan, Dearborn. "Dette har været en god åbning af et nyt vindue til denne fossile befolkning."