Astronomen graben die Sterne aus, die die Milchstraße hervorgebracht haben

Seit rund 20 Jahren haben Astronomen kämpfte um eine uralte Gruppe von Sternen zu finden, die sich mit Gas, Staub und neueren Sternen der Ausbuchtung unserer Galaxie vermischt. Diese „fossilen“ Sterne gingen der Milchstraße voraus und hätten an ihrer charakteristischen Chemie und Umlaufbahn erkennbar sein müssen. Doch bis vor kurzem war nur eine kleine Anzahl von ihnen jemals gefunden worden.

Jetzt hat eine entschlossene Anstrengung unter Verwendung von datenintensivem maschinellem Lernen eine Fundgrube von ihnen ausgegraben und ihre Merkmale und Schicksale in den Fokus gerückt. Die bei ihrer Entdeckung verwendeten Methoden haben es den Wissenschaftlern ermöglicht, ihr Verständnis der Entstehung der Milchstraße und von Scheibengalaxien im Allgemeinen zu aktualisieren.

Konkurrierende Theorien

Astronomen glauben, dass der Milchstraße eine sogenannte Protogalaxie vorausging – ein gewalttätiger, chaotischer Ort mit jungen Sternen mit wilden Umlaufbahnen. Seine Entstehungsgeschichte beginnt glaubwürdig genug. Nach dem Urknall verschmolz dunkle Materie in unserer Region des Weltraums. Die dunkle Materie zog gewöhnliche Materie an. Dann tauchten die ersten Sternenwellen auf, aber wie diese Sterne dorthin kamen, war unklar.

„Die Leute hatten keine wirklich gute Vorstellung davon, wie die Protogalaxie aussah“, sagte er Vedant Chandra, Astrophysiker an der Harvard University und einer der Hauptautoren von a jüngsten Papier Einzelheiten zu den Entdeckungen alter Sterne.

In den 2000er Jahren hatten sich die Wissenschaftler darauf festgelegt zwei Entstehungstheorien. Entweder brachte die Protogalaxie im Inneren der Milchstraße die ersten Sterne hervor, als Gas zu Sternen verschmolz, oder sie kannibalisierte andere Galaxien, indem sie Sterne herausriss und dunkle Materie absaugte. Um die Frage zu klären, müssten Astronomen die früheste Sternpopulation der Milchstraße isolieren. Studien identifiziert Kandidaten Sterne, aber wenn die Theorie der internen Kinderstube richtig war, lag eine viel größere fossile Population unentdeckt.

Die Gelegenheit, sie zu finden, kam 2022 bei der Europäischen Weltraumorganisation Gaia-Weltraumteleskop veröffentlichte seinen dritten vollständigen Datensatz namens DR3. Gaia wurde vor 10 Jahren ins Leben gerufen, um die Milchstraße zu untersuchen, und jede nachfolgende Datenveröffentlichung hat es aufgenommen genauere Positionsmessungen als frühere Versionen.

Wichtig ist, dass DR3 auch Sternspektren enthielt – Messungen, wie hell ein Stern bei verschiedenen Lichtwellenlängen ist. Diese Spektrometriemessungen werden üblicherweise verwendet, um die chemischen Elemente innerhalb eines Sterns zu untersuchen.

Um die Geburtsdaten von Sternen zu bestimmen, stützte sich das Team auf eine spektroskopische Standardtechnik, die nach den Signaturen schwerer Elemente sucht. (In der Astronomie bedeutet „schwer“ alles, was massereicher ist als Wasserstoff oder Helium.) Während das Universum altert, detonieren wasserstoffreiche Sterne zu Supernovas und sterben, wobei sie Elemente wie Kohlenstoff und Sauerstoff ausstoßen. Dieses Material verschmilzt dann zu neuen Sternen mit schwereren Elementen, die auch als metallreiche Sterne bekannt sind. Neuere Sterne sind also metallreich, und metallarme Sterne müssen aus der Protogalaxie stammen.

Metalldetektoren

Als das Team die Daten von Gaia DR3 sah, stellte es jedoch enttäuscht fest, dass die Spektrometerwerte zu breit waren, um einzelne chemische Peaks aufzudecken. „Die spektralen Informationen für etwa 200 Millionen Sterne wurden veröffentlicht, aber das sind Spektren mit sehr niedriger Auflösung. Wenn Sie sich das Spektrum ansehen, ist es nur ein Haufen Wackeln“, sagte Chandra.

Also wandte sich das Team dem maschinellen Lernen zu, um die Signale schwererer Elemente aus den verrauschten Spektren mit niedriger Auflösung zu extrahieren. Sie verwendeten einen handelsüblichen Algorithmus namens XGBoost und trainierten ihn mit hochwertigen Spektraldaten aus anderen Umfragen. Mit diesem Training war der Algorithmus in der Lage, die Metallizität der Sterne allein auf der Grundlage der minderwertigen Gaia-Wackeln aufzudecken. Als das Team seine Vorhersagen anhand von Daten überprüfte, die von drei anderen unabhängigen, hochwertigen Himmelsdurchmusterungen in drei einzigartigen Abschnitten der Milchstraße gesammelt wurden, fanden sie eine enge Übereinstimmung.

Chandra untersuchte die inneren Geheimnisse des Algorithmus und fand heraus, dass er die Schwerelementhäufigkeit eines Sterns fast ausschließlich auf der Grundlage der Kalzium- und Magnesiumabsorptionslinien des Sterns entschied. Es korrigierte auch mögliche Fehlerquellen, wie zum Beispiel die dichten Knäuel aus kosmischem Staub und Gas, die zwischen der Erde und dem Zentrum der Milchstraße liegen. „Die Form dieser Wellen ändert sich, wenn sich viel Staub in der Sichtlinie zum Stern befindet“, sagte er. „Und das ist wichtig, weil wir das Zentrum der Galaxie untersuchen, das voller Staub ist.“

Das Team reduzierte eine Population von 1.5 Millionen Sternen auf etwa 18,000 frühe Sterne mit geringer Metallizität, die sich in der Ausbuchtung der Milchstraße befinden. „Vor einem Jahrzehnt war ich begeistert, eine Probe von fast 1,000 Bulge-Sternen mit geringer Metallizität zu haben“, sagte er Melissa Ness, ein Astronom an der Columbia University. „Wir befinden uns jetzt in einem Regime mit vielen Tausend dieser metallarmen Stars. Das ist ein unglaublicher Datensatz, mit dem man arbeiten kann.“

Mindestens eine weitere Frage mussten die Forscher noch beantworten: Wohin steuerten die Sterne der Urgalaxie? Die Antwort kam von einer anderen Art von Messung, die neu in der Gaia DR3-Version verfügbar ist – die Geschwindigkeit, mit der sich die Sterne entlang unserer Sichtlinie bewegen. Die Kenntnis dieser Geschwindigkeit ermöglichte es, die Umlaufbahn jedes Sterns aufzudecken.

Was herauskam, war ein Porträt einer haloförmigen Protogalaxie, wie von einigen Theoretikern erwartet. Die Population älterer, metallarmer Sterne umkreiste eine kleine, enge Kugel mit einem Radius von 9,000 Lichtjahren, die das Team das „arme alte Herz“ der Milchstraße nannte.

Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Protogalaxie keine Sterne aus anderen Galaxien gestohlen hat. Wenn dies der Fall wäre, würden ihre Sternumlaufbahnen auf Regionen jenseits der Milchstraße ausgerichtet sein.

Mehr Offenbarungen

Da die Geschwindigkeits- und Spektrometriemessungen für 1.5 Millionen Milchstraßensterne bereits in der Hand waren, richtete Chandra seinen Blick auf verwandte Theorien, die überprüft werden könnten. Eine neuere stach hervor.

In 2022, XNUMX Papiere deutete auf eine Zeitlinie für die Scheibenbildung der Milchstraße hin. Die Theorie besagt, dass die Region nach dem Entstehen der Protogalaxie „kochte“, Gas sammelte und metallarme Sterne erzeugte. Nach einer Milliarde Jahren „kochte“ die entstehende Galaxie und gebar für 2 bis 3 Milliarden Jahre hektisch metallreiche Sterne. Diese neueren Sterne waren anders. Sie folgten flacheren Bahnen. Als die Galaxie abkühlte, bildete sich eine hauchdünne Scheibe, gefüllt mit den frisch geprägten Sternen (einschließlich unserer Sonne), die sich in ordentlichen Kreisbahnen um das galaktische Zentrum bewegten.

Die 1.5 Millionen Sterne in Chandras Datensatz bestätigten diese Zeitlinie. „Was wir sehen, ist die Milchstraße, die sich zum ersten Mal dreht“, erklärte er. "Sie sehen im Wesentlichen die Geburt der Scheibe der Galaxie." Er und seine Kollegen verwenden jetzt den vollständigen Datensatz mit 30 Millionen Sternen, um einen noch umfassenderen Überblick zu erhalten. „Die Ausbuchtung sorgt offiziell seit Jahrzehnten für Verwirrung“ Will Clarkson, ein Astronom an der University of Michigan, Dearborn. „Dies war eine gute Öffnung eines neuen Fensters zu dieser fossilen Population.“