Gli astronomi scavano le stelle che hanno dato vita alla Via Lattea

Per circa 20 anni, gli astronomi hanno lottato per trovare un antico gruppo di stelle mescolato con il gas, la polvere e le nuove stelle del rigonfiamento della nostra galassia. Queste stelle "fossili" hanno preceduto la Via Lattea e avrebbero dovuto essere riconoscibili dalla loro chimica e orbite distintive. Tuttavia, fino a poco tempo fa, ne era stato trovato solo un piccolo numero.

Ora, uno sforzo determinato utilizzando l'apprendimento automatico ad alta intensità di dati ne ha portato alla luce un tesoro, mettendo a fuoco le loro caratteristiche e il loro destino. I metodi utilizzati nella loro scoperta hanno permesso agli scienziati di aggiornare la loro comprensione della formazione della Via Lattea e delle galassie a disco in generale.

Teorie in competizione

Gli astronomi ritengono che la Via Lattea sia stata preceduta da qualcosa chiamato proto-galassia, un luogo violento e caotico contenente giovani stelle con orbite selvagge. La sua storia di origine inizia in modo abbastanza credibile. Dopo il Big Bang, la materia oscura si è fusa nella nostra regione dello spazio. La materia oscura ha attratto la materia ordinaria. Poi sono sorte le prime ondate di stelle, ma nessuno sa come siano arrivate lì.

"La gente non aveva una buona idea di come fosse la proto-galassia", ha detto Vedante Chandra, astrofisico dell'Università di Harvard e uno degli autori principali di a carta recente dettagliando le antiche scoperte stellari.

Negli anni 2000, gli scienziati si erano stabiliti due teorie sulla formazione. O la proto-galassia ha dato vita internamente alle prime stelle della Via Lattea, mentre il gas si fondeva in stelle, oppure ha cannibalizzato altre galassie, strappando via le stelle e sottraendo materia oscura. Per risolvere la questione, gli astronomi dovrebbero isolare la prima popolazione stellare della Via Lattea. Studi individuati stelle candidate, ma se la teoria del vivaio interno era corretta, una popolazione fossile molto più grande rimaneva da scoprire.

L'opportunità di trovarli è arrivata nel 2022 quando l'Agenzia Spaziale Europea Telescopio spaziale Gaia ha rilasciato il suo terzo set completo di dati, chiamato DR3. Gaia è stata lanciata 10 anni fa per esaminare la Via Lattea e ogni successivo rilascio di dati ha incluso misurazioni della posizione più accurate rispetto alle versioni precedenti.

È importante sottolineare che DR3 includeva anche spettri stellari, misurazioni della luminosità di una stella a diverse lunghezze d'onda della luce. Queste misurazioni spettrometriche sono comunemente utilizzate per esaminare gli elementi chimici all'interno di una stella.

Per determinare le date di nascita delle stelle, il team si è affidato a una tecnica spettroscopica standard che cerca le firme degli elementi pesanti. (In astronomia, "pesante" significa qualcosa di più massiccio dell'idrogeno o dell'elio.) Mentre l'universo invecchia, le stelle ricche di idrogeno esplodono in supernove e muoiono, emettendo elementi come carbonio e ossigeno. Questo materiale poi si fonde in nuove stelle con elementi più pesanti, note anche come stelle ricche di metalli. Quindi le stelle più recenti sono ricche di metalli e le stelle povere di metalli devono aver avuto origine nella proto-galassia.

Metal Detector

Quando il team ha visto i dati di Gaia DR3, tuttavia, è rimasto deluso nello scoprire che le letture dello spettrometro erano troppo ampie per rivelare singoli picchi chimici. “Sono state rilasciate le informazioni spettrali per circa 200 milioni di stelle, ma si tratta di spettri a risoluzione molto bassa. Se guardi lo spettro è solo un mucchio di oscillazioni", ha detto Chandra.

Quindi il team si è rivolto all'apprendimento automatico per estrarre i segnali degli elementi più pesanti dagli spettri rumorosi a bassa risoluzione. Hanno utilizzato un algoritmo standard chiamato XGBoost e lo hanno addestrato utilizzando dati spettrali di alta qualità provenienti da altri sondaggi. Con questo addestramento, l'algoritmo è stato in grado di rivelare la metallicità delle stelle basandosi esclusivamente sulle oscillazioni di bassa qualità di Gaia. Quando il team ha ricontrollato le proprie previsioni confrontandole con i dati raccolti da altre tre indagini del cielo indipendenti di alta qualità in tre sezioni uniche della Via Lattea, hanno trovato uno stretto accordo.

Esaminando i segreti interni dell'algoritmo, Chandra ha scoperto che decideva l'abbondanza di elementi pesanti di una stella basandosi quasi esclusivamente sulle linee di assorbimento del calcio e del magnesio della stella. Ha anche corretto potenziali fonti di errore, come i densi grovigli di polvere e gas cosmici che si trovano tra la Terra e il centro della Via Lattea. "La forma di quelle oscillazioni cambierà se c'è molta polvere nella linea di vista della stella", ha detto. "E questo è importante perché stiamo studiando il centro della galassia, che è pieno di polvere."

Il team ha ridotto una popolazione di 1.5 milioni di stelle a circa 18,000 prime stelle con bassa metallicità situate nel rigonfiamento della Via Lattea. "Un decennio fa, ero entusiasta di avere un campione di quasi 1,000 stelle di rigonfiamento a bassa metallicità", ha detto Melissa Ness, astronomo della Columbia University. “Ora siamo in un regime in cui abbiamo molte migliaia di queste stelle povere di metallo. È un set di dati incredibile con cui lavorare.”

I ricercatori dovevano ancora rispondere ad almeno un'altra domanda: dove erano dirette le stelle della proto-galassia? La risposta è arrivata da un altro tipo di misurazione recentemente disponibile nella versione Gaia DR3: la velocità con cui le stelle si muovono lungo la nostra linea di vista. Conoscere questa velocità ha permesso di scoprire l'orbita di ogni stella.

Ne è emerso il ritratto di una protogalassia a forma di alone, come anticipato da alcuni teorici. La popolazione di stelle anziane e povere di metalli orbitava in una sfera piccola e stretta con un raggio di 9,000 anni luce, che il team ha soprannominato il "povero vecchio cuore" della Via Lattea.

Nel complesso, i risultati suggeriscono che la proto-galassia non ha rubato stelle da altre galassie. Se così fosse, le loro orbite stellari sarebbero dirette verso regioni oltre la Via Lattea.

Altre rivelazioni

Con le misurazioni di velocità e spettrometria già in mano per 1.5 milioni di stelle della Via Lattea, Chandra ha rivolto lo sguardo alle teorie correlate che potrebbero essere verificate. Uno recente si è distinto.

Nel 2022, seconda documenti ha accennato a una linea temporale per la formazione del disco della Via Lattea. La teoria sostiene che dopo la comparsa della proto-galassia, la regione abbia "ribollito a fuoco lento", raccogliendo gas e creando stelle povere di metalli. Dopo un miliardo di anni, la galassia emergente "bolle", dando vita freneticamente a stelle ricche di metalli per 2-3 miliardi di anni. Queste nuove stelle erano diverse. Hanno seguito orbite più piatte. Quando la galassia si è raffreddata, si è formato un disco sottile come un rasoio, pieno di stelle appena coniate (incluso il nostro sole) che si muovono in orbite circolari ordinate attorno al centro galattico.

Le 1.5 milioni di stelle nel set di dati di Chandra hanno confermato questa sequenza temporale. "Quello che stiamo osservando è la Via Lattea che gira per la prima volta", ha spiegato. "Stai essenzialmente assistendo alla nascita del disco della galassia." Lui ei suoi colleghi stanno ora utilizzando l'intero set di dati di 30 milioni di stelle per fornire uno sguardo ancora più completo. "Il rigonfiamento è stato ufficialmente fonte di confusione per decenni", Will Clarkson, astronomo dell'Università del Michigan, Dearborn. "Questa è stata una buona apertura di una nuova finestra su questa popolazione fossile".