Astronoomid kaevavad üles Linnutee sünnitanud tähed

Umbes 20 aastat on astronoomid seda teinud võitlesid leida iidne tähtede rühm, mis on segunenud meie galaktika mõhna gaasi, tolmu ja uuemate tähtedega. Need "fossiilsed" tähed eelnesid Linnuteele ja oleksid pidanud olema eristatavad nende eripärase keemia ja orbiitide järgi. Kuid kuni viimase ajani oli neist leitud vaid väike arv.

Nüüd on andmemahuka masinõppe abil tehtud sihikindel jõupingutus neid avastanud, tuues fookusesse nende omadused ja saatused. Nende avastamisel kasutatud meetodid on võimaldanud teadlastel uuendada oma arusaama Linnutee tekkest ja ketasgalaktikatest üldiselt.

Konkureerivad teooriad

Astronoomid usuvad, et Linnuteele eelnes midagi, mida nimetatakse proto-galaktikaks - vägivaldne ja kaootiline koht, mis sisaldab metsiku orbiitidega noori tähti. Selle tekkelugu algab piisavalt usutavalt. Pärast Suurt Pauku ühines meie kosmosepiirkonnas tumeaine. Tumeaine tõmbas ligi tavalist ainet. Seejärel tekkisid esimesed tähtede lained, kuid kuidas need tähed sinna sattusid, oli keegi arvata.

"Inimestel polnud päris head ettekujutust protogalaktika väljanägemisest," ütles Vedant Chandra, Harvardi ülikooli astrofüüsik ja üks juhtivaid autoreid a viimastel paber kirjeldades üksikasjalikult iidseid täheavastusi.

2000. aastateks olid teadlased end sisse seadnud kaks moodustumise teooriat. Kas proto-galaktika sünnitas Linnutee esimesed tähed sisemiselt, kui gaas ühines tähtedeks, või kannibaliseeris see teisi galaktikaid, kiskudes välja tähti ja sifoonides tumeainet. Selle küsimuse lahendamiseks peaksid astronoomid eraldama Linnutee varaseima tähepopulatsiooni. Tuvastatud uuringud tähtede kandidaat, kuid kui lasteaiasisese teooria oli õige, oli palju suurem fossiilide populatsioon avastamata.

Võimalus neid leida avanes 2022. aastal, kui Euroopa Kosmoseagentuuri oma Gaia kosmoseteleskoop avaldas oma kolmanda täieliku andmekomplekti, nn DR3. Gaia käivitati 10 aastat tagasi Linnutee uurimiseks ja iga järgnev andmeväljaanne on hõlmanud täpsemad asukoha mõõtmised kui varasemad väljaanded.

Oluline on see, et DR3 sisaldas ka tähespektreid - mõõtmisi selle kohta, kui hele on täht erinevatel valguse lainepikkustel. Neid spektromeetrilisi mõõtmisi kasutatakse tavaliselt tähe sees olevate keemiliste elementide uurimiseks.

Tähtede sünnikuupäevade määramiseks kasutas meeskond standardset spektroskoopilist tehnikat, mis otsib raskete elementide allkirju. (Astronoomias tähendab "raske" kõike massiivsemat kui vesinik või heelium.) Universumi vananedes plahvatavad vesinikurikkad tähed supernoovadeks ja surevad, paiskades välja selliseid elemente nagu süsinik ja hapnik. Seejärel ühineb see materjal uuteks raskema elemendiga tähtedeks, mida nimetatakse ka metallirikasteks tähtedeks. Seega on uuemad tähed metallirikkad ja metallivaesed tähed pidid olema pärit protogalaktikast.

Metallidetektorid

Kui meeskond nägi Gaia DR3 andmeid, olid nad pettunud, kui avastasid, et spektromeetri näidud olid üksikute keemiliste piikide paljastamiseks liiga laiad. "Avaldati umbes 200 miljoni tähe spektriteave, kuid need on väga madala eraldusvõimega spektrid. Kui vaadata spektrit, on see vaid hunnik vingerdamist, ”ütles Chandra.

Nii pöördus meeskond masinõppe poole, et eraldada raskemate elementide signaalid mürarikastest madala eraldusvõimega spektritest. Nad kasutasid valmisalgoritmi nimega XGBoost ja koolitasid seda teiste uuringute kvaliteetsete spektraalandmete abil. Selle koolituse abil suutis algoritm paljastada tähtede metallilisuse, tuginedes ainult madala kvaliteediga Gaia võngetele. Kui meeskond kontrollis oma ennustusi uuesti kolme teise sõltumatu kõrgekvaliteedilise taevauuringu andmetega Linnutee kolmes ainulaadses osas, leidis nad tihedat kokkulepet.

Algoritmi sisemisi saladusi uurides leidis Chandra, et see otsustas tähe raskete elementide arvukuse peaaegu eranditult tähe kaltsiumi ja magneesiumi neeldumisjoonte põhjal. See parandas ka võimalikke veaallikaid, nagu tihedad kosmilise tolmu ja gaasi puntrad, mis asuvad Maa ja Linnutee keskpunkti vahel. "Nende vingerdamiste kuju muutub, kui tähe vaateväljas on palju tolmu," ütles ta. "Ja see on oluline, sest uurime galaktika keskpunkti, mis on tolmuga täidetud."

Meeskond vähendas 1.5 miljonist tähest koosneva populatsiooni umbes 18,000 1,000 madala metallilisusega varajaseks täheks, mis paiknesid Linnutee mõhnas. "Kümmekond aastat tagasi oli mul hea meel, et mul oli peaaegu XNUMX madala metallilisusega kühmutähte," ütles. Melissa Ness, Columbia ülikooli astronoom. "Me oleme praegu režiimis, kus neid metallivaeseid staare on tuhandeid. See on uskumatu andmekogum, millega töötada.

Teadlased pidid siiski vastama veel vähemalt ühele küsimusele: kuhu liikusid protogalaktika tähed? Vastus tuli Gaia DR3 versioonis äsja saadaval olevast teist tüüpi mõõtmistest - kiirusest, millega tähed liiguvad mööda meie vaatevälja. Selle kiiruse tundmine võimaldas paljastada iga tähe orbiidi.

Ilmnes halokujulise protogalaktika portree, nagu mõned teoreetikud eeldasid. Eakate metallivaeste tähtede populatsioon tiirles väikeses kitsas sfääris, mille raadius on 9,000 valgusaastat ja mille meeskond nimetas Linnutee "vaeseks vanaks südameks".

Üldiselt näitavad leiud, et protogalaktika ei varastanud tähti teistelt galaktikatelt. Kui see oleks olnud, oleksid nende tähtede orbiidid suunatud Linnuteest kaugemale jäävate piirkondade poole.

Veel ilmutusi

Kuna 1.5 miljoni Linnutee tähe kiiruse ja spektromeetria mõõtmised on juba käes, heitis Chandra pilgu seotud teooriatele, mida saaks kontrollida. Üks hiljutine paistis silma.

Aastal 2022, kaks dokumendid vihjasid Linnutee ketta moodustumise ajajoonele. Teooria ütleb, et pärast protogalaktika tekkimist see piirkond "hautis", kogudes gaasi ja luues metallivaeseid tähti. Miljard aastat hiljem kerkis esile kerkiv galaktika, sünnitades meeletult metallirikkaid tähti 2–3 miljardiks aastaks. Need uuemad tähed olid teistsugused. Nad järgisid tasasemaid orbiite. Kui galaktika jahtus, tekkis žileti õhuke ketas, mis täitus äsja vermitud tähtedega (sealhulgas meie päikesega), mis liikusid ümber galaktika keskpunkti korrastatud ringikujulistel orbiitidel.

1.5 miljonit tähte Chandra andmekogumis kinnitasid seda ajakava. "Me vaatame, et Linnutee pöörleb esimest korda üles," selgitas ta. "Sa näed sisuliselt galaktika ketta sündi." Tema ja ta kolleegid kasutavad nüüd täielikku 30 miljoni tärni andmekogu, et pakkuda veelgi põhjalikumat välimust. "Mõhk on aastakümneid ametlikult segadust tekitanud," Will Clarkson, Dearborni osariigi Michigani ülikooli astronoom. "See on hea uue akna avamine sellesse fossiilse populatsiooni."