Οι αστρονόμοι σκάβουν τα αστέρια που γέννησαν τον Γαλαξία

Για περίπου 20 χρόνια, οι αστρονόμοι έχουν αγωνίστηκε να βρούμε μια αρχαία ομάδα αστεριών αναμεμειγμένη με το αέριο, τη σκόνη και τα νεότερα αστέρια της διόγκωσης του γαλαξία μας. Αυτά τα «απολιθωμένα» αστέρια προηγήθηκαν του Γαλαξία μας και θα έπρεπε να ήταν ευδιάκριτα από τη χαρακτηριστική χημεία και τις τροχιές τους. Ωστόσο, μέχρι πρόσφατα, μόνο ένας μικρός αριθμός από αυτούς είχε βρεθεί ποτέ.

Τώρα, μια αποφασιστική προσπάθεια με χρήση μηχανικής μάθησης υψηλής έντασης δεδομένων έχει αποκαλύψει έναν θησαυρό από αυτούς, φέρνοντας στο επίκεντρο τα χαρακτηριστικά και τη μοίρα τους. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν στην ανακάλυψή τους έδωσαν τη δυνατότητα στους επιστήμονες να ενημερώσουν την κατανόησή τους για τον σχηματισμό του Γαλαξία και γενικά για τους γαλαξίες του δίσκου.

Ανταγωνιστικές Θεωρίες

Οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι του Γαλαξία είχε προηγηθεί κάτι που ονομάζεται πρωτογαλαξίας - ένα βίαιο, χαοτικό μέρος που περιέχει νεαρά αστέρια με άγριες τροχιές. Η ιστορία της προέλευσής του ξεκινά αρκετά αξιόπιστα. Μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, η σκοτεινή ύλη συνενώθηκε στην περιοχή του διαστήματος μας. Η σκοτεινή ύλη προσέλκυσε τη συνηθισμένη ύλη. Τότε προέκυψαν τα πρώτα κύματα αστεριών, αλλά το πώς έφτασαν αυτά τα αστέρια ήταν εικασία κανενός.

«Οι άνθρωποι δεν είχαν πολύ καλή ιδέα για το πώς έμοιαζε ο πρωτογαλαξίας», είπε Vedant Chandra, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και ένας από τους κύριους συγγραφείς στο α πρόσφατο έγγραφο περιγράφοντας λεπτομερώς τις ανακαλύψεις των αρχαίων αστεριών.

Μέχρι τη δεκαετία του 2000, οι επιστήμονες είχαν καταλήξει δύο θεωρίες σχηματισμού. Είτε ο πρωτογαλαξίας γέννησε εσωτερικά τα πρώτα αστέρια του Γαλαξία, καθώς το αέριο συγχωνεύτηκε σε αστέρια, είτε κανιβαλοποίησε άλλους γαλαξίες, ξεριζώνοντας αστέρια και αποσπώντας τη σκοτεινή ύλη. Για να διευθετηθεί το ερώτημα, οι αστρονόμοι θα πρέπει να απομονώσουν τον πρώτο πληθυσμό αστέρων του Γαλαξία. Μελέτες που εντοπίστηκαν υποψήφια αστέρια, αλλά αν η θεωρία του εσωτερικού φυτωρίου ήταν σωστή, ένας πολύ μεγαλύτερος πληθυσμός απολιθωμάτων δεν είχε ανακαλυφθεί.

Η ευκαιρία να τα βρούμε έφτασε το 2022 όταν ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος Διαστημικό τηλεσκόπιο Gaia κυκλοφόρησε το τρίτο πλήρες σύνολο δεδομένων, που ονομάζεται DR3. Η Gaia ξεκίνησε πριν από 10 χρόνια για να ερευνήσει τον Γαλαξία μας, και κάθε διαδοχική δημοσίευση δεδομένων περιλαμβάνει πιο ακριβείς μετρήσεις θέσης από προηγούμενες εκδόσεις.

Είναι σημαντικό ότι το DR3 περιελάμβανε επίσης αστρικά φάσματα — μετρήσεις του πόσο φωτεινό είναι ένα αστέρι σε διαφορετικά μήκη κύματος φωτός. Αυτές οι μετρήσεις φασματομετρίας χρησιμοποιούνται συνήθως για την εξέταση των χημικών στοιχείων μέσα σε ένα αστέρι.

Για να καθορίσει τις ημερομηνίες γέννησης των αστεριών, η ομάδα βασίστηκε σε μια τυπική φασματοσκοπική τεχνική που αναζητά τις υπογραφές βαρέων στοιχείων. (Στην αστρονομία, «βαρύ» σημαίνει οτιδήποτε πιο μαζικό από το υδρογόνο ή το ήλιο.) Καθώς το σύμπαν γερνάει, τα πλούσια σε υδρογόνο αστέρια εκρήγνυνται σε σουπερνόβα και πεθαίνουν, εκτοξεύοντας στοιχεία όπως ο άνθρακας και το οξυγόνο. Αυτό το υλικό στη συνέχεια συνενώνεται σε νέα αστέρια με βαρύτερα στοιχεία, επίσης γνωστά ως αστέρια πλούσια σε μέταλλα. Έτσι, τα πιο πρόσφατα αστέρια είναι πλούσια σε μέταλλα, και τα φτωχά σε μέταλλα αστέρια πρέπει να προέρχονται από τον πρωτογαλαξία.

Ανιχνευτές μετάλλων

Όταν η ομάδα είδε τα δεδομένα του Gaia DR3, ωστόσο, απογοητεύτηκε όταν ανακάλυψε ότι οι μετρήσεις του φασματόμετρου ήταν πολύ ευρείες για να αποκαλύψουν μεμονωμένες χημικές κορυφές. «Οι φασματικές πληροφορίες για περίπου 200 εκατομμύρια αστέρια κυκλοφόρησαν, αλλά αυτά είναι φάσματα πολύ χαμηλής ανάλυσης. Αν κοιτάξετε το φάσμα, είναι απλώς ένα σωρό κουνήματα», είπε ο Chandra.

Έτσι, η ομάδα στράφηκε στη μηχανική μάθηση για να εξάγει τα σήματα βαρύτερων στοιχείων από τα θορυβώδη φάσματα χαμηλής ανάλυσης. Χρησιμοποίησαν έναν αλγόριθμο εκτός ραφιού που ονομάζεται XGBoost και τον εκπαίδευσαν χρησιμοποιώντας φασματικά δεδομένα υψηλής ποιότητας από άλλες έρευνες. Με αυτήν την εκπαίδευση, ο αλγόριθμος μπόρεσε να αποκαλύψει τη μεταλλικότητα των άστρων βασιζόμενος αποκλειστικά στα χαμηλής ποιότητας κουνάματα της Γαίας. Όταν η ομάδα επανέλεξε τις προβλέψεις της σε σχέση με δεδομένα που συλλέχθηκαν από τρεις άλλες ανεξάρτητες έρευνες υψηλής ποιότητας στον ουρανό σε τρία μοναδικά τμήματα του Γαλαξία μας, βρήκαν απόλυτη συμφωνία.

Εξετάζοντας τα εσωτερικά μυστικά του αλγορίθμου, ο Chandra διαπίστωσε ότι αποφάσισε την αφθονία των βαρέων στοιχείων ενός άστρου με βάση σχεδόν αποκλειστικά τις γραμμές απορρόφησης ασβεστίου και μαγνησίου του άστρου. Διορθώθηκε επίσης για πιθανές πηγές λάθους, όπως τα πυκνά κουβάρια κοσμικής σκόνης και αερίου που βρίσκονται μεταξύ της Γης και του κέντρου του Γαλαξία. «Το σχήμα αυτών των κινήσεων θα αλλάξει εάν υπάρχει πολλή σκόνη στο οπτικό πεδίο του αστεριού», είπε. «Και αυτό είναι σημαντικό γιατί μελετάμε το κέντρο του γαλαξία, το οποίο είναι γεμάτο σκόνη».

Η ομάδα μείωσε έναν πληθυσμό 1.5 εκατομμυρίων αστεριών σε περίπου 18,000 πρώιμα αστέρια με χαμηλή μεταλλικότητα που βρίσκονται στο εξόγκωμα του Γαλαξία. «Πριν από μια δεκαετία, ήμουν ενθουσιασμένος που είχα ένα δείγμα σχεδόν 1,000 διογκωμένων αστεριών χαμηλής μεταλλικότητας», είπε. Μελίσα Νες, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια. «Είμαστε τώρα σε ένα καθεστώς όπου έχουμε πολλές χιλιάδες από αυτά τα φτωχά σε μέταλ αστέρια. Αυτό είναι ένα απίστευτο σύνολο δεδομένων για να δουλέψεις».

Οι ερευνητές έπρεπε να απαντήσουν τουλάχιστον σε μια ακόμη ερώτηση: Πού πήγαιναν τα αστέρια του πρωτογαλαξία; Η απάντηση ήρθε από έναν άλλο τύπο μέτρησης που διατίθεται πρόσφατα στην έκδοση Gaia DR3 — την ταχύτητα με την οποία τα αστέρια κινούνται κατά μήκος της οπτικής μας γραμμής. Η γνώση αυτής της ταχύτητας κατέστησε δυνατή την αποκάλυψη της τροχιάς κάθε αστεριού.

Αυτό που προέκυψε ήταν ένα πορτρέτο ενός πρωτογαλαξία σε σχήμα φωτοστέφανου, όπως αναμενόταν από ορισμένους θεωρητικούς. Ο πληθυσμός των ηλικιωμένων, φτωχών σε μέταλλο αστέρια περιφερόταν σε μια μικρή, σφιχτή σφαίρα ακτίνας 9,000 ετών φωτός, την οποία η ομάδα ονόμασε τη «φτωχή παλιά καρδιά» του Γαλαξία.

Συνολικά, τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι ο πρωτογαλαξίας δεν έκλεψε αστέρια από άλλους γαλαξίες. Αν είχε, οι αστρικές τροχιές τους θα κατευθύνονταν προς περιοχές πέρα ​​από τον Γαλαξία.

Περισσότερες Αποκαλύψεις

Με τις μετρήσεις της ταχύτητας και της φασματομετρίας που ήδη υπάρχουν για 1.5 εκατομμύρια αστέρια του Γαλαξία, ο Chandra έριξε το βλέμμα του σε σχετικές θεωρίες που θα μπορούσαν να ελεγχθούν. Ένα πρόσφατο ξεχώρισε.

Σε 2022, δύο χαρτιά υπαινίχθηκε ένα χρονοδιάγραμμα για το σχηματισμό του δίσκου του Γαλαξία. Η θεωρία λέει ότι μετά την εμφάνιση του πρωτογαλαξία, η περιοχή «σιγοβράζει», συλλέγοντας αέριο και δημιουργώντας αστέρια φτωχά σε μέταλλα. Μετά από ένα δισεκατομμύριο χρόνια, ο αναδυόμενος γαλαξίας «έβρασε», γεννώντας μανιωδώς αστέρια πλούσια σε μέταλλα για 2 δισεκατομμύρια έως 3 δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτά τα νεότερα αστέρια ήταν διαφορετικά. Ακολούθησαν πιο επίπεδες τροχιές. Καθώς ο γαλαξίας ψύχθηκε, σχηματίστηκε ένας λεπτός σαν ξυράφι δίσκος, γεμάτος με τα πρόσφατα κομμένα αστέρια (συμπεριλαμβανομένου του ήλιου μας) που κινούνταν σε τακτοποιημένες κυκλικές τροχιές γύρω από το γαλαξιακό κέντρο.

Τα 1.5 εκατομμύρια αστέρια στο σύνολο δεδομένων του Chandra επιβεβαίωσαν αυτό το χρονοδιάγραμμα. «Αυτό που εξετάζουμε είναι ο Γαλαξίας που περιστρέφεται για πρώτη φορά», εξήγησε. "Βλέπετε ουσιαστικά τη γέννηση του δίσκου του γαλαξία." Αυτός και οι συνάδελφοί του χρησιμοποιούν τώρα το πλήρες σύνολο δεδομένων των 30 εκατομμυρίων αστέρων για να παρέχουν μια ακόμη πιο ολοκληρωμένη εμφάνιση. «Η διόγκωση προκαλεί επίσημα σύγχυση εδώ και δεκαετίες», Γουίλ Κλάρκσον, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, στο Ντήμπορν. «Αυτό ήταν ένα καλό άνοιγμα ενός νέου παραθύρου σε αυτόν τον πληθυσμό απολιθωμάτων».