ستاره شناسان ستارگانی را که کهکشان راه شیری را به وجود آورده اند را حفر می کنند

حدود 20 سال است که ستاره شناسان این کار را کرده اند تلاش برای پیدا کردن یک گروه باستانی از ستارگان مخلوط با گاز، غبار و ستاره های جدیدتر برآمدگی کهکشان ما. این ستارگان "فسیلی" قبل از راه شیری بودند و باید با شیمی و مدارهای متمایزشان قابل تشخیص باشند. با این حال تا همین اواخر، تنها تعداد کمی از آنها پیدا شده بود.

اکنون، تلاش مصمم با استفاده از یادگیری ماشینی فشرده داده، گنجینه ای از آنها را کشف کرده است و ویژگی ها و سرنوشت آنها را مورد توجه قرار داده است. روش های مورد استفاده در کشف آنها دانشمندان را قادر ساخته است تا درک خود را از شکل گیری کهکشان راه شیری و به طور کلی کهکشان های دیسکی به روز کنند.

تئوری های رقابتی

ستاره شناسان بر این باورند که قبل از راه شیری چیزی به نام کهکشان اولیه وجود داشته است - یک مکان خشن و پر هرج و مرج حاوی ستارگان جوان با مدارهای وحشی. داستان منشا آن به اندازه کافی معتبر شروع می شود. پس از انفجار بزرگ، ماده تاریک در منطقه ما از فضا ترکیب شد. ماده تاریک ماده معمولی را جذب کرد. پس از آن اولین امواج ستارگان به وجود آمدند، اما اینکه چگونه این ستاره ها به آنجا رسیدند، کسی حدس زد.

گفت: «مردم واقعاً ایده خوبی از شکل ظاهری کهکشان اولیه نداشتند چاندرا ودان، یک اخترفیزیکدان در دانشگاه هاروارد و یکی از نویسندگان اصلی در A مقاله اخیر جزئیات کشف ستاره های باستانی

در دهه 2000، دانشمندان به کار خود ادامه دادند دو نظریه شکل گیری. یا کهکشان اولیه اولین ستارگان راه شیری را در درون خود به دنیا آورد، زیرا گاز در ستارگان ادغام شد، یا اینکه کهکشان های دیگر را آدم خوار کرد، ستاره ها را جدا کرد و ماده تاریک را از بین برد. برای حل این سوال، ستاره شناسان باید اولین جمعیت ستاره راه شیری را جدا کنند. مطالعات شناسایی شد ستاره های نامزداما اگر نظریه مهدکودک داخلی درست بود، جمعیت فسیلی بسیار بزرگتری کشف نشده بود.

فرصت یافتن آنها در سال 2022 زمانی که آژانس فضایی اروپا به دست آمد تلسکوپ فضایی گایا سومین مجموعه کامل داده خود را منتشر کرد که به نام DR3. گایا 10 سال پیش برای بررسی کهکشان راه شیری راه اندازی شد و هر انتشار متوالی داده شامل آن می شد اندازه گیری موقعیت دقیق تر نسبت به نسخه های قبلی

نکته مهم این است که DR3 طیف های ستاره ای را نیز شامل می شود - اندازه گیری میزان روشنایی یک ستاره در طول موج های مختلف نور. این اندازه گیری های طیف سنجی معمولا برای بررسی عناصر شیمیایی درون یک ستاره استفاده می شود.

برای تعیین تاریخ تولد ستاره ها، این تیم بر یک تکنیک طیف سنجی استاندارد تکیه کردند که به دنبال نشانه های عناصر سنگین است. (در نجوم، "سنگین" به معنای جرمی بیشتر از هیدروژن یا هلیوم است.) با بالا رفتن سن جهان، ستارگان غنی از هیدروژن به ابرنواخترها منفجر می شوند و می میرند و عناصری مانند کربن و اکسیژن را به بیرون پرتاب می کنند. سپس این ماده به ستارگان جدید و عناصر سنگین‌تر که به عنوان ستاره‌های غنی از فلز نیز شناخته می‌شوند، ترکیب می‌شوند. بنابراین ستاره‌های جدیدتر غنی از فلز هستند و ستاره‌های فقیر از فلز باید از کهکشان اولیه سرچشمه گرفته باشند.

فلزیاب ها

با این حال، هنگامی که تیم داده‌های Gaia DR3 را دیدند، از کشف این که قرائت‌های طیف‌سنج برای آشکار کردن پیک‌های شیمیایی منفرد آنقدر وسیع است، ناامید شدند. «اطلاعات طیفی برای حدود 200 میلیون ستاره منتشر شد، اما اینها طیف هایی با وضوح بسیار پایین هستند. اگر به طیف نگاه کنید، این فقط یک دسته تکان دادن است،” چاندرا گفت.

بنابراین تیم به یادگیری ماشین روی آورد تا سیگنال های عناصر سنگین تر را از طیف های پر سر و صدا و با وضوح پایین استخراج کند. آنها از یک الگوریتم خارج از قفسه به نام XGBoost استفاده کردند و آن را با استفاده از داده های طیفی با کیفیت بالا از سایر نظرسنجی ها آموزش دادند. با این آموزش، الگوریتم توانست فلزی بودن ستارگان را تنها بر اساس تکان‌های بی‌کیفیت گایا آشکار کند. وقتی این تیم پیش‌بینی‌های خود را در برابر داده‌های جمع‌آوری‌شده توسط سه بررسی آسمانی مستقل با کیفیت بالا در سه بخش منحصربه‌فرد کهکشان راه شیری بررسی کردند، به توافق نزدیکی دست یافتند.

چاندرا با بررسی اسرار درونی این الگوریتم دریافت که فراوانی عناصر سنگین ستاره را تقریباً منحصراً بر اساس خطوط جذب کلسیم و منیزیم ستاره تعیین می کند. همچنین برای منابع احتمالی خطا، مانند گره های متراکم غبار و گاز کیهانی که بین زمین و مرکز کهکشان راه شیری قرار دارد، تصحیح شد. او گفت: «شکل آن تکان‌ها تغییر می‌کند اگر گرد و غبار زیادی در خط دید ستاره وجود داشته باشد. و این مهم است زیرا ما در حال مطالعه مرکز کهکشان هستیم که پر از غبار است.

این تیم جمعیت 1.5 میلیون ستاره را به حدود 18,000 ستاره اولیه با فلز کم در برآمدگی کهکشان راه شیری کاهش داد. گفت: «یک دهه پیش، من از داشتن نمونه ای از تقریباً 1,000 ستاره برآمده با فلز کم هیجان زده بودم. ملیسا نس، ستاره شناس دانشگاه کلمبیا. ما اکنون در رژیمی هستیم که هزاران نفر از این ستاره های فقیر فلزی داریم. این مجموعه داده های باورنکردنی برای کار کردن است.»

محققان هنوز باید حداقل به یک سوال دیگر پاسخ می‌دادند: ستاره‌های کهکشان اولیه به کجا می‌رفتند؟ پاسخ از نوع دیگری از اندازه گیری است که به تازگی در نسخه Gaia DR3 در دسترس قرار گرفته است – سرعت حرکت ستارگان در طول خط دید ما. دانستن این سرعت امکان کشف مدار هر ستاره را فراهم کرد.

آنچه که ظاهر شد، پرتره ای از یک پیش کهکشان هاله ای شکل بود که توسط برخی نظریه پردازان پیش بینی می شد. جمعیت ستارگان مسن و فقیر از فلز در یک کره کوچک و فشرده با شعاع 9,000 سال نوری می چرخیدند که تیم آن را «قلب پیر فقیر» کهکشان راه شیری نامید.

به طور کلی، یافته‌ها نشان می‌دهد که این کهکشان، ستاره‌هایی را از کهکشان‌های دیگر ندزدیده است. اگر چنین بود، مدارهای ستاره ای آنها به سمت مناطقی فراتر از کهکشان راه شیری هدایت می شد.

مکاشفه های بیشتر

با اندازه‌گیری‌های سرعت و طیف‌سنجی در حال حاضر برای 1.5 میلیون ستاره راه شیری، چاندرا نگاه خود را به نظریه‌های مرتبطی انداخت که می‌توان آن‌ها را بررسی کرد. یکی اخیر برجسته بود.

در 2022، دو اوراق به یک جدول زمانی برای تشکیل دیسک راه شیری اشاره کرد. این تئوری می گوید که پس از ظهور کهکشان اولیه، منطقه "جوش گرفت"، گاز جمع آوری شد و ستاره های فقیر از فلز ایجاد شد. پس از یک میلیارد سال، کهکشان نوظهور به جوش آمد و دیوانه وار ستارگان غنی از فلز را برای 2 تا 3 میلیارد سال به دنیا آورد. این ستاره های جدیدتر متفاوت بودند. آنها مدارهای مسطح تری را دنبال کردند. با سرد شدن کهکشان، یک صفحه نازک مانند تیغ تشکیل شد که پر از ستارگان تازه بریده شده (از جمله خورشید ما) بود که در مدارهای دایره ای منظمی در اطراف مرکز کهکشان حرکت می کردند.

1.5 میلیون ستاره در مجموعه داده چاندرا این جدول زمانی را تایید کرد. او توضیح داد: "چیزی که ما به آن نگاه می کنیم این است که راه شیری برای اولین بار در حال چرخش است." "شما اساساً تولد قرص کهکشان را می بینید." او و همکارانش اکنون از مجموعه داده های کامل 30 میلیون ستاره ای استفاده می کنند تا ظاهری جامع تر ارائه دهند. "برآمدگی به طور رسمی برای چندین دهه گیج کننده بوده است." ویل کلارکسون، ستاره شناس دانشگاه میشیگان، دیربورن. این یک دریچه جدید به سوی این جمعیت فسیلی بوده است.»