Tähtitieteilijät kaivavat esiin tähdet, jotka synnyttivät Linnunradan

Noin 20 vuoden ajan tähtitieteilijät ovat tehneet kamppailivat löytää muinainen tähtiryhmä, joka on sekoitettu galaksimme pullistuman kaasuun, pölyyn ja uudempiin tähtiin. Nämä "fossiiliset" tähdet edelsivät Linnunrataa, ja niiden olisi pitänyt olla havaittavissa niiden erottuvan kemian ja kiertoradan perusteella. Silti viime aikoihin asti niistä oli löydetty vain pieni määrä.

Nyt määrätietoinen ponnistus dataintensiivisen koneoppimisen avulla on paljastanut joukon niitä ja tuonut keskipisteeseen niiden ominaisuuksia ja kohtaloita. Löytöissään käytetyt menetelmät ovat antaneet tutkijoille mahdollisuuden päivittää ymmärrystään Linnunradan muodostumisesta ja kiekkogalakseista yleensä.

Kilpailevat teoriat

Tähtitieteilijät uskovat, että Linnunrataa edelsi protogalaksi - väkivaltainen, kaoottinen paikka, jossa oli nuoria tähtiä, joilla on villi kiertoradat. Sen alkuperätarina alkaa riittävän uskottavasti. Alkuräjähdyksen jälkeen pimeä aine sulautui avaruusalueellemme. Pimeä aine veti puoleensa tavallista ainetta. Ensimmäiset tähtien aallot nousivat sitten, mutta kuinka nämä tähdet sinne pääsivät, oli kukaan arvattavissa.

"Ihmisillä ei ollut todella hyvää käsitystä siitä, miltä protogalaksi näytti", sanoi Vedant Chandra, astrofyysikko Harvardin yliopistossa ja yksi johtavista kirjoittajista viime paperi yksityiskohtaisesti muinaisten tähtien löydöistä.

2000-luvulla tiedemiehet olivat vakiintuneet kaksi muodostumisteoriaa. Joko protogalaksi synnytti Linnunradan ensimmäiset tähdet sisäisesti, kun kaasu sulautui tähdiksi, tai se kannibalisoi muita galakseja repimällä tähtiä ja siivoamalla pimeää ainetta. Tämän kysymyksen ratkaisemiseksi tähtitieteilijöiden olisi eristettävä Linnunradan varhaisin tähtipopulaatio. Tutkimukset tunnistettu ehdokkaita tähtiä, mutta jos sisäisen lastentarhan teoria oli oikea, paljon suurempi fossiilipopulaatio jäi löytämättä.

Mahdollisuus löytää ne tulivat vuonna 2022, kun Euroopan avaruusjärjestön Gaia avaruusteleskooppi julkaisi kolmannen täyden tietosarjansa, nimeltään DR3. Gaia lanseerattiin 10 vuotta sitten Linnunradan tutkimiseen, ja jokainen peräkkäinen datajulkaisu on sisältynyt tarkemmat paikanmittaukset kuin aikaisemmat julkaisut.

Tärkeää on, että DR3 sisälsi myös tähtispektrit - mittaukset siitä, kuinka kirkas tähti on eri valon aallonpituuksilla. Näitä spektrometrisiä mittauksia käytetään yleisesti tähden sisällä olevien kemiallisten alkuaineiden tutkimiseen.

Tähtien syntymäpäivien määrittämiseksi ryhmä luotti tavalliseen spektroskooppiseen tekniikkaan, joka etsii raskaiden elementtien merkkejä. (Tähtitiedessä "raskas" tarkoittaa mitä tahansa massiivisempaa kuin vetyä tai heliumia.) Universumin ikääntyessä vetyä sisältävät tähdet räjähtävät supernoviksi ja kuolevat, sylkien ulos elementtejä, kuten hiiltä ja happea. Tämä materiaali sulautuu sitten uusiksi, raskaammiksi elementeiksi tähdiksi, jotka tunnetaan myös metallirikkaina tähdinä. Joten uudemmat tähdet ovat metallirikkaita, ja metalliköyhien tähtien on täytynyt olla peräisin protogalaksista.

Metalliilmaisimet

Kun tiimi näki Gaia DR3 -tiedot, he pettyivät havaitessaan, että spektrometrin lukemat olivat liian leveitä paljastamaan yksittäisiä kemiallisia huippuja. "Noin 200 miljoonan tähden spektritiedot julkaistiin, mutta nämä ovat erittäin matalaresoluutioisia spektrejä. Jos katsot spektriä, se on vain joukko heilutuksia", Chandra sanoi.

Joten tiimi kääntyi koneoppimisen puoleen poimiakseen raskaampien elementtien signaalit kohinaisista, matalaresoluutioisista spektreistä. He käyttivät XGBoost-nimistä algoritmia ja kouluttivat sitä käyttämällä korkealaatuista spektritietoa muista tutkimuksista. Tämän koulutuksen avulla algoritmi pystyi paljastamaan tähtien metallisuuden perustuen yksinomaan heikkolaatuisiin Gaian heilutuksiin. Kun tiimi vertasi ennusteitaan kolmen muun riippumattoman korkealaatuisen taivastutkimuksen kolmessa ainutlaatuisessa Linnunradan osassa keräämiin tietoihin, he löysivät tiukan yhteisymmärryksen.

Tarkastellessaan algoritmin sisäisiä salaisuuksia Chandra havaitsi, että se päätti tähden raskaiden alkuaineiden runsauden lähes yksinomaan tähden kalsiumin ja magnesiumin absorptiolinjojen perusteella. Se korjasi myös mahdolliset virhelähteet, kuten tiheät kosmisen pölyn ja kaasun vyöt, jotka sijaitsevat Maan ja Linnunradan keskuksen välillä. "Näiden heilutusten muoto muuttuu, jos tähteen näkökentässä on paljon pölyä", hän sanoi. "Ja se on tärkeää, koska tutkimme galaksin keskustaa, joka on täynnä pölyä."

Tiimi supisti 1.5 miljoonan tähden populaation noin 18,000 1,000 varhaiseen tähdeksi, joilla oli alhainen metallipitoisuus Linnunradan pullistumassa. "Kymmenen vuotta sitten olin innoissani siitä, että minulla oli näyte, jossa oli lähes XNUMX XNUMX matalametallista pullistumaa tähteä", sanoi. Melissa Ness, tähtitieteilijä Columbian yliopistossa. "Olemme nyt järjestelmässä, jossa on tuhansia näitä metalliköyhiä tähtiä. Se on uskomaton tietojoukko työskentelyyn."

Tutkijoiden täytyi vielä vastata ainakin yhteen kysymykseen: Mihin protogalaksin tähdet olivat matkalla? Vastaus tuli toisesta mittaustyypistä, joka on äskettäin saatavilla Gaia DR3 -julkaisussa - nopeudesta, jolla tähdet liikkuvat näkölinjaamme pitkin. Tämän nopeuden tietäminen mahdollisti jokaisen tähden kiertoradan paljastamisen.

Syntyi muotokuva halon muotoisesta protogalaksista, kuten jotkut teoreetikot ovat odottaneet. Vanhusten, metalliköyhien tähtien populaatio kiertää pienessä, tiukassa pallossa, jonka säde on 9,000 XNUMX valovuotta ja jota ryhmä kutsui Linnunradan "vanhaksi köyhäksi sydämeksi".

Kaiken kaikkiaan havainnot viittaavat siihen, että protogalaksi ei varastanut tähtiä muista galakseista. Jos olisi, niiden tähtien kiertoradat olisivat suunnattu Linnunradan ulkopuolisille alueille.

Lisää paljastuksia

Kun nopeus- ja spektrometriset mittaukset olivat jo käsillä 1.5 miljoonalle Linnunradan tähdelle, Chandra käänsi katseensa niihin liittyviin teorioihin, jotka voitaisiin tarkistaa. Yksi viimeaikainen erottui joukosta.

Vuonna 2022, kaksi paperit vihjasi Linnunradan kiekon muodostumisen aikajanasta. Teorian mukaan protogalaksin syntymisen jälkeen alue "kiehui", keräsi kaasua ja loi metalliköyhiä tähtiä. Miljardin vuoden kuluttua esiin nouseva galaksi "kiehui", synnytti kiihkeästi metallirikkaita tähtiä 2-3 miljardiksi vuodeksi. Nämä uudemmat tähdet olivat erilaisia. He seurasivat tasaisempaa kiertorataa. Kun galaksi jäähtyi, muodostui veitsen ohut kiekko, joka oli täynnä juuri lyötyjä tähtiä (mukaan lukien aurinkomme), jotka liikkuivat siisteillä ympyräradoilla galaksin keskuksen ympärillä.

Chandran tietojoukon 1.5 miljoonaa tähteä vahvistivat tämän aikajanan. "Katsomme Linnunrata, joka pyörii ensimmäistä kertaa", hän selitti. "Näet pohjimmiltaan galaksin kiekon syntymän." Hän ja hänen kollegansa käyttävät nyt koko 30 miljoonan tähden datajoukkoa tarjotakseen entistä kattavamman ilmeen. "Puhistu on ollut virallisesti hämmentävää vuosikymmeniä" Will Clarkson, tähtitieteilijä Michiganin yliopistossa Dearbornissa. "Tämä on ollut hyvä avaus uudelle ikkunalle tähän fossiilipopulaatioon."