Para astronom menggali bintang-bintang yang melahirkan Bima Sakti

Selama sekitar 20 tahun, para astronom telah melakukannya berjuang untuk menemukan sekelompok bintang kuno yang bercampur dengan gas, debu, dan bintang baru di tonjolan galaksi kita. Bintang-bintang "fosil" ini mendahului Bima Sakti dan seharusnya dapat dilihat dari kimiawi dan orbitnya yang khas. Namun hingga saat ini, hanya sejumlah kecil yang pernah ditemukan.

Sekarang, upaya yang gigih menggunakan pembelajaran mesin intensif data telah menemukan banyak dari mereka, memfokuskan fitur dan nasib mereka. Metode yang digunakan dalam penemuan mereka telah memungkinkan para ilmuwan memperbarui pemahaman mereka tentang pembentukan Bima Sakti dan galaksi cakram secara umum.

Teori Bersaing

Para astronom percaya bahwa Bima Sakti didahului oleh sesuatu yang disebut proto-galaksi — tempat yang penuh kekerasan dan kacau yang berisi bintang-bintang muda dengan orbit liar. Kisah asalnya dimulai dengan cukup kredibel. Setelah Big Bang, materi gelap bergabung di wilayah ruang angkasa kita. Materi gelap menarik materi biasa. Gelombang bintang pertama kemudian muncul, tetapi bagaimana bintang-bintang ini sampai di sana tidak dapat ditebak oleh siapa pun.

"Orang-orang tidak memiliki ide yang bagus tentang seperti apa proto-galaksi itu," kata Vedant Chandra, seorang ahli astrofisika di Universitas Harvard dan salah satu penulis utama di a makalah baru-baru merinci penemuan bintang kuno.

Pada tahun 2000-an, para ilmuwan telah menetap dua teori pembentukan. Entah proto-galaksi melahirkan bintang pertama Bima Sakti secara internal, saat gas bergabung menjadi bintang, atau ia mengkanibal galaksi lain, merobek bintang dan menyedot materi gelap. Untuk menjawab pertanyaan tersebut, para astronom perlu mengisolasi populasi bintang paling awal di Bima Sakti. Studi diidentifikasi calon bintang, tetapi jika teori pembibitan internal benar, populasi fosil yang jauh lebih besar belum ditemukan.

Kesempatan untuk menemukan mereka tiba pada tahun 2022 saat Badan Antariksa Eropa Teleskop luar angkasa Gaia merilis kumpulan data lengkap ketiganya, yang disebut DR3. Gaia diluncurkan 10 tahun lalu untuk mensurvei Bima Sakti, dan setiap rilis data berturut-turut telah disertakan pengukuran posisi yang lebih akurat daripada rilis sebelumnya.

Yang penting, DR3 juga menyertakan spektrum bintang — pengukuran seberapa terang sebuah bintang pada panjang gelombang cahaya yang berbeda. Pengukuran spektrometri ini biasanya digunakan untuk memeriksa unsur kimia di dalam bintang.

Untuk menentukan tanggal kelahiran bintang, tim mengandalkan teknik spektroskopi standar yang mencari ciri khas unsur berat. (Dalam astronomi, "berat" berarti sesuatu yang lebih masif daripada hidrogen atau helium.) Seiring bertambahnya usia alam semesta, bintang kaya hidrogen meledak menjadi supernova dan mati, memuntahkan unsur-unsur seperti karbon dan oksigen. Materi ini kemudian bergabung menjadi bintang baru dengan unsur lebih berat, juga dikenal sebagai bintang kaya logam. Jadi bintang yang lebih baru kaya akan logam, dan bintang yang miskin logam pastilah berasal dari proto-galaksi.

Detektor Logam

Namun, ketika tim melihat data Gaia DR3, mereka kecewa karena pembacaan spektrometer terlalu luas untuk mengungkap puncak kimia individu. “Informasi spektral untuk sekitar 200 juta bintang telah dirilis, tetapi ini adalah spektrum beresolusi sangat rendah. Jika Anda melihat spektrumnya, itu hanya sekumpulan goyangan, ”kata Chandra.

Jadi tim beralih ke pembelajaran mesin untuk mengekstraksi sinyal elemen yang lebih berat dari spektrum resolusi rendah yang berisik. Mereka menggunakan algoritme siap pakai yang disebut XGBoost, dan melatihnya menggunakan data spektral berkualitas tinggi dari survei lain. Dengan pelatihan ini, algoritme mampu mengungkap metalisitas bintang hanya berdasarkan goyangan Gaia berkualitas rendah. Ketika tim memeriksa ulang prediksi mereka terhadap data yang dikumpulkan oleh tiga survei langit independen berkualitas tinggi lainnya di tiga bagian unik Bima Sakti, mereka menemukan kesepakatan yang kuat.

Melihat ke dalam rahasia algoritma tersebut, Chandra menemukan bahwa algoritma tersebut menentukan kelimpahan elemen berat sebuah bintang hampir secara eksklusif berdasarkan garis penyerapan kalsium dan magnesium bintang tersebut. Itu juga mengoreksi sumber kesalahan potensial, seperti kusut padat debu dan gas kosmik yang terletak di antara Bumi dan pusat Bima Sakti. "Bentuk goyangan itu akan berubah jika ada banyak debu yang berhadapan dengan bintang," katanya. “Dan itu penting karena kita sedang mempelajari pusat galaksi, yang dipenuhi debu.”

Tim mengurangi populasi 1.5 juta bintang menjadi sekitar 18,000 bintang awal dengan kandungan logam rendah yang terletak di tonjolan Bima Sakti. “Satu dekade yang lalu, saya sangat senang memiliki sampel dari hampir 1,000 bintang tonjolan logam rendah,” kata Melissa Ness, seorang astronom di Universitas Columbia. “Kita sekarang berada dalam rezim yang memiliki ribuan bintang miskin logam ini. Itu kumpulan data yang luar biasa untuk dikerjakan.

Para peneliti masih perlu menjawab setidaknya satu pertanyaan lagi: Ke mana arah bintang proto-galaksi? Jawabannya datang dari jenis pengukuran lain yang baru tersedia dalam rilis Gaia DR3 — kecepatan pergerakan bintang-bintang di sepanjang garis pandang kita. Mengetahui kecepatan ini memungkinkan untuk mengungkap orbit setiap bintang.

Yang muncul adalah potret proto-galaksi berbentuk halo, seperti yang diantisipasi oleh beberapa ahli teori. Populasi bintang-bintang tua miskin logam mengorbit dalam bola kecil rapat dengan radius 9,000 tahun cahaya, yang oleh tim dijuluki sebagai "hati tua yang malang" Bima Sakti.

Secara keseluruhan, temuan tersebut menunjukkan bahwa proto-galaksi tidak mencuri bintang dari galaksi lain. Jika ya, orbit bintang mereka akan mengarah ke wilayah di luar Bima Sakti.

Lebih Banyak Wahyu

Dengan pengukuran kecepatan dan spektrometri yang sudah ada untuk 1.5 juta bintang Bima Sakti, Chandra mengalihkan pandangannya ke teori terkait yang bisa diuji. Satu yang baru-baru ini menonjol.

Dalam 2022, dua dokumen mengisyaratkan garis waktu untuk pembentukan cakram Bima Sakti. Menurut teori, setelah proto-galaksi muncul, wilayah tersebut “mendidih”, mengumpulkan gas dan menciptakan bintang-bintang yang miskin logam. Setelah satu miliar tahun, galaksi yang muncul "mendidih", dengan panik melahirkan bintang-bintang kaya logam selama 2 miliar hingga 3 miliar tahun. Bintang-bintang baru ini berbeda. Mereka mengikuti orbit yang lebih datar. Saat galaksi mendingin, piringan setipis silet terbentuk, berisi bintang-bintang yang baru dicetak (termasuk matahari kita) yang bergerak dalam orbit melingkar yang rapi di sekitar pusat galaksi.

1.5 juta bintang dalam kumpulan data Chandra mengonfirmasi garis waktu ini. "Apa yang kami lihat adalah Bima Sakti berputar untuk pertama kalinya," jelasnya. “Anda pada dasarnya melihat kelahiran piringan galaksi.” Dia dan rekan-rekannya sekarang menggunakan kumpulan data lengkap 30 juta bintang untuk memberikan tampilan yang lebih komprehensif. "Tonjolan itu secara resmi membingungkan selama beberapa dekade," Akankah Clarkson, seorang astronom di University of Michigan, Dearborn. "Ini merupakan pembukaan jendela baru yang bagus ke dalam populasi fosil ini."