Los astrónomos desentierran las estrellas que dieron origen a la Vía Láctea

Durante unos 20 años, los astrónomos han luchado para encontrar un antiguo grupo de estrellas mezcladas con el gas, el polvo y las estrellas más nuevas del bulto de nuestra galaxia. Estas estrellas "fósiles" precedieron a la Vía Láctea y deberían haber sido discernibles por su química y órbitas distintivas. Sin embargo, hasta hace poco, solo se había encontrado un pequeño número de ellos.

Ahora, un esfuerzo decidido que utiliza el aprendizaje automático intensivo en datos ha descubierto un tesoro de ellos, poniendo de relieve sus características y destinos. Los métodos utilizados en su descubrimiento han permitido a los científicos actualizar su comprensión de la formación de la Vía Láctea y de las galaxias de disco en general.

Teorías en competencia

Los astrónomos creen que la Vía Láctea fue precedida por algo llamado protogalaxia, un lugar violento y caótico que contiene estrellas jóvenes con órbitas salvajes. Su historia de origen comienza de manera bastante creíble. Después del Big Bang, la materia oscura se fusionó en nuestra región del espacio. La materia oscura atrajo la materia ordinaria. Entonces surgieron las primeras oleadas de estrellas, pero nadie sabía cómo llegaron allí.

"La gente no tenía una idea muy buena de cómo era la protogalaxia", dijo Vedante Chandra, astrofísico de la Universidad de Harvard y uno de los autores principales de un documento reciente detallando los antiguos descubrimientos estelares.

En la década de 2000, los científicos se habían decidido por dos teorías de la formación. O bien la protogalaxia dio a luz internamente a las primeras estrellas de la Vía Láctea, cuando el gas se fusionó en estrellas, o canibalizó otras galaxias, arrancando estrellas y extrayendo materia oscura. Para resolver la cuestión, los astrónomos tendrían que aislar la población estelar más antigua de la Vía Láctea. Estudios identificados estrellas candidatas, pero si la teoría del vivero interno era correcta, quedaría sin descubrir una población fósil mucho mayor.

La oportunidad de encontrarlos llegó en 2022 cuando la Agencia Espacial Europea Telescopio espacial Gaia lanzó su tercer conjunto completo de datos, llamado DR3. Gaia se lanzó hace 10 años para estudiar la Vía Láctea, y cada publicación de datos sucesiva ha incluido mediciones de posición más precisas que los lanzamientos anteriores.

Es importante destacar que DR3 también incluyó espectros estelares: mediciones de cuán brillante es una estrella en diferentes longitudes de onda de luz. Estas medidas de espectrometría se usan comúnmente para examinar los elementos químicos dentro de una estrella.

Para determinar las fechas de nacimiento de las estrellas, el equipo se basó en una técnica espectroscópica estándar que busca las firmas de los elementos pesados. (En astronomía, "pesado" significa cualquier cosa más masiva que el hidrógeno o el helio). A medida que el universo envejece, las estrellas ricas en hidrógeno detonan en supernovas y mueren, expulsando elementos como el carbono y el oxígeno. Este material luego se fusiona en nuevas estrellas de elementos más pesados, también conocidas como estrellas ricas en metales. Entonces, las estrellas más recientes son ricas en metales y las estrellas pobres en metales deben haberse originado en la protogalaxia.

Detectores de metales

Sin embargo, cuando el equipo vio los datos de Gaia DR3, se sintieron decepcionados al descubrir que las lecturas del espectrómetro eran demasiado amplias para revelar picos químicos individuales. “Se publicó la información espectral de unos 200 millones de estrellas, pero estos son espectros de muy baja resolución. Si miras el espectro, es solo un montón de ondulaciones”, dijo Chandra.

Entonces, el equipo recurrió al aprendizaje automático para extraer las señales de elementos más pesados ​​​​de los espectros ruidosos de baja resolución. Utilizaron un algoritmo listo para usar llamado XGBoost y lo entrenaron usando datos espectrales de alta calidad de otras encuestas. Con este entrenamiento, el algoritmo pudo revelar la metalicidad de las estrellas basándose únicamente en los movimientos de baja calidad de Gaia. Cuando el equipo verificó dos veces sus predicciones con los datos recopilados por otros tres estudios independientes del cielo de alta calidad en tres secciones únicas de la Vía Láctea, encontraron un acuerdo estrecho.

Al investigar los secretos internos del algoritmo, Chandra descubrió que decidía la abundancia de elementos pesados ​​de una estrella basándose casi exclusivamente en las líneas de absorción de calcio y magnesio de la estrella. También corrigió posibles fuentes de error, como las densas marañas de gas y polvo cósmico que se encuentran entre la Tierra y el centro de la Vía Láctea. “La forma de esos meneos cambiará si hay mucho polvo en la línea de visión de la estrella”, dijo. “Y eso es importante porque estamos estudiando el centro de la galaxia, que está lleno de polvo”.

El equipo redujo una población de 1.5 millones de estrellas a unas 18,000 estrellas tempranas con baja metalicidad ubicadas en el bulbo de la Vía Láctea. “Hace una década, estaba encantado de tener una muestra de casi 1,000 estrellas abultadas de baja metalicidad”, dijo melissa ness, astrónomo de la Universidad de Columbia. “Ahora estamos en un régimen de tener muchos miles de estas estrellas pobres en metales. Es un conjunto de datos increíble con el que trabajar”.

Los investigadores aún necesitaban responder al menos una pregunta más: ¿hacia dónde se dirigían las estrellas de la protogalaxia? La respuesta provino de otro tipo de medición recientemente disponible en el lanzamiento de Gaia DR3: la velocidad a la que las estrellas se mueven a lo largo de nuestra línea de visión. Conocer esta velocidad hizo posible descubrir la órbita de cada estrella.

Lo que surgió fue un retrato de una protogalaxia en forma de halo, como anticiparon algunos teóricos. La población de estrellas ancianas y pobres en metales orbitaba en una esfera pequeña y estrecha con un radio de 9,000 años luz, que el equipo denominó el "pobre viejo corazón" de la Vía Láctea.

En general, los hallazgos sugieren que la protogalaxia no robó estrellas de otras galaxias. Si lo hubiera hecho, sus órbitas estelares se dirigirían hacia regiones más allá de la Vía Láctea.

Más revelaciones

Con las mediciones de velocidad y espectrometría ya disponibles para 1.5 millones de estrellas de la Vía Láctea, Chandra dirigió su atención a teorías relacionadas que podrían verificarse. Uno reciente se destacó.

En 2022, dos papeles insinuó una línea de tiempo para la formación del disco de la Vía Láctea. La teoría dice que después de que surgiera la protogalaxia, la región "hierve a fuego lento", recolectando gas y creando estrellas pobres en metales. Después de mil millones de años, la galaxia emergente "hirvió", dando a luz frenéticamente estrellas ricas en metales durante 2 mil a 3 mil millones de años. Estas estrellas más nuevas eran diferentes. Siguieron órbitas más planas. A medida que la galaxia se enfriaba, se formó un disco delgado como una navaja, lleno de estrellas recién acuñadas (incluido nuestro sol) que se movían en ordenadas órbitas circulares alrededor del centro galáctico.

Los 1.5 millones de estrellas en el conjunto de datos de Chandra confirmaron esta línea de tiempo. “Lo que estamos viendo es la Vía Láctea girando por primera vez”, explicó. “Básicamente estás viendo el nacimiento del disco de la galaxia”. Él y sus colegas ahora están utilizando el conjunto completo de datos de 30 millones de estrellas para brindar una visión aún más completa. “La protuberancia ha sido oficialmente confusa durante décadas”, clarkson, astrónomo de la Universidad de Michigan, Dearborn. "Esta ha sido una buena apertura de una nueva ventana a esta población fósil".