אסטרונומים חופרים את הכוכבים שהולידו את שביל החלב

במשך כ-20 שנה, אסטרונומים עשו זאת נאבק למצוא קבוצה עתיקה של כוכבים מעורבבים עם הגז, האבק והכוכבים החדשים יותר של הבליטה של ​​הגלקסיה שלנו. כוכבים "מאובנים" אלה קדמו לשביל החלב והיה צריך להבחין בהם לפי הכימיה והמסלולים הייחודיים שלהם. אולם עד לאחרונה, רק מספר קטן מהם נמצא אי פעם.

כעת, מאמץ נחוש באמצעות למידת מכונה עתירת נתונים חשף המון מהם, והביא למוקד התכונות והגורל שלהם. השיטות ששימשו בתגליתם אפשרו למדענים לעדכן את הבנתם לגבי היווצרות שביל החלב ושל גלקסיות דיסק בכלל.

תיאוריות מתחרות

אסטרונומים מאמינים שלשביל החלב קדם משהו שנקרא פרוטו-גלקסיה - מקום אלים וכאוטי המכיל כוכבים צעירים עם מסלולי פרא. סיפור המקור שלו מתחיל בצורה אמינה מספיק. לאחר המפץ הגדול, חומר אפל התלכד באזורנו בחלל. החומר האפל משך חומר רגיל. גלי הכוכבים הראשונים התעוררו אז, אבל איך הכוכבים האלה הגיעו לשם היה ניחוש של מישהו.

"לאנשים לא היה מושג ממש טוב איך נראית הפרוטו-גלקסיה", אמר וודנט צ'נדרה, אסטרופיזיקאי באוניברסיטת הרווארד ואחד הכותבים הראשיים בנושא א נייר האחרון המפרט את גילויי הכוכבים העתיקים.

בשנות ה-2000, מדענים התייצבו שתי תיאוריות היווצרות. או שהפרוטו-גלקסיה הולידה את הכוכבים הראשונים של שביל החלב בפנים, כשהגז התלכד לכוכבים, או שהיא עשתה קניבליזציה של גלקסיות אחרות, תולשת כוכבים וסינפה חומר אפל. כדי ליישב את השאלה, אסטרונומים יצטרכו לבודד את אוכלוסיית הכוכבים המוקדמת ביותר של שביל החלב. מחקרים זוהו כוכבי מועמדים, אבל אם התיאוריה הפנימית-משתלה הייתה נכונה, אוכלוסיית מאובנים גדולה בהרבה לא התגלתה.

ההזדמנות למצוא אותם הגיעה בשנת 2022 כאשר סוכנות החלל האירופית טלסקופ חלל גאיה פרסמה את מערך הנתונים המלא השלישי שלו, הנקרא DR3. גאיה הושקה לפני 10 שנים כדי לסקר את שביל החלב, וכל פרסום נתונים עוקב כלל מדידות מיקום מדויקות יותר מאשר מהדורות קודמות.

חשוב לציין, DR3 כלל גם ספקטרום כוכבי - מדידות של מידת הבהירות של כוכב באורכי גל שונים של אור. מדידות ספקטרומטריה אלו משמשות בדרך כלל לבחינת היסודות הכימיים בתוך כוכב.

כדי לקבוע את תאריכי לידת הכוכבים, הצוות הסתמך על טכניקה ספקטרוסקופית סטנדרטית שמחפשת את החתימות של אלמנטים כבדים. (באסטרונומיה, "כבד" פירושו כל דבר מסיבי יותר ממימן או הליום.) כשהיקום מזדקן, כוכבים עשירים במימן מתפוצצים לסופרנובות ומתים, פולטים יסודות כמו פחמן וחמצן. לאחר מכן חומר זה מתלכד לכוכבים חדשים בעלי יסודות כבדים יותר, הידועים גם ככוכבים עשירים במתכות. אז כוכבים עדכניים יותר הם עשירים במתכות, וכוכבים עניים במתכות כנראה מקורם בפרוטו-גלקסיה.

גלאי מתכות

אולם כאשר הצוות ראה את נתוני Gaia DR3, הם התאכזבו לגלות שקריאת הספקטרומטרים הייתה רחבה מכדי לחשוף פסגות כימיות בודדות. "המידע הספקטרלי של כ-200 מיליון כוכבים שוחרר, אבל אלו ספקטרות ברזולוציה נמוכה מאוד. אם אתה מסתכל על הספקטרום זה רק חבורה של התנועות," אמרה צ'נדרה.

אז הצוות פנה ללמידת מכונה כדי לחלץ את האותות של אלמנטים כבדים יותר מהספקטרום הרועש ברזולוציה נמוכה. הם השתמשו באלגוריתם מדף בשם XGBoost, ואימנו אותו באמצעות נתונים ספקטרליים איכותיים מסקרים אחרים. בעזרת אימון זה, האלגוריתם הצליח לחשוף את המתכתיות של הכוכבים בהתבסס אך ורק על תנועות גאיה באיכות נמוכה. כשהצוות בדק פעמיים את התחזיות שלהם מול נתונים שנאספו על ידי שלושה סקרי שמיים עצמאיים אחרים באיכות גבוהה בשלושה מקטעים ייחודיים של שביל החלב, הם מצאו הסכמה הדוקה.

כשבחנה את הסודות הפנימיים של האלגוריתם, צ'נדרה גילתה שהיא החליטה על שפע היסודות הכבדים של כוכב המבוסס כמעט אך ורק על קווי ספיגת הסידן והמגנזיום של הכוכב. הוא גם תיקן עבור מקורות שגיאה פוטנציאליים, כמו הסבך הצפוף של אבק קוסמי וגז שנמצאים בין כדור הארץ למרכז שביל החלב. "הצורה של התנועות האלה תשתנה אם יהיה הרבה אבק בקו הראייה לכוכב", אמר. "וזה חשוב כי אנחנו חוקרים את מרכז הגלקסיה, שמלא באבק."

הצוות צמצם אוכלוסיה של 1.5 מיליון כוכבים לכ-18,000 כוכבים מוקדמים עם מתכתיות נמוכה הממוקמים בבליטה של ​​שביל החלב. "לפני עשור, התרגשתי לקבל מדגם של כמעט 1,000 כוכבי בליטה בעלי מתכת נמוכה", אמר מליסה נס, אסטרונום באוניברסיטת קולומביה. "אנחנו נמצאים כעת במשטר של אלפים רבים מהכוכבים העניים במתכות האלה. זה מערך נתונים מדהים לעבוד איתו."

החוקרים עדיין היו צריכים לענות על עוד שאלה אחת לפחות: לאן מועדות פני כוכבי הפרוטו-גלקסיה? התשובה הגיעה מסוג אחר של מדידה שזמינה לאחרונה במהדורת Gaia DR3 - המהירות שבה הכוכבים נעים לאורך קו הראייה שלנו. הכרת המהירות הזו אפשרה לחשוף את מסלולו של כל כוכב.

מה שהופיע היה דיוקן של פרוטו-גלקסיה בצורת הילה, כפי שציפו כמה תיאורטיקנים. אוכלוסיית הכוכבים הקשישים, עניים במתכות, סובבה בכדור קטן והדוק עם רדיוס של 9,000 שנות אור, שהצוות כינה אותו "הלב הישן והעני" של שביל החלב.

בסך הכל, הממצאים מצביעים על כך שהפרוטו-גלקסיה לא גנבה כוכבים מגלקסיות אחרות. אם כן, מסלולי הכוכבים שלהם היו מופנים לעבר אזורים מעבר לשביל החלב.

עוד גילויים

עם מדידות המהירות והספקטרומטריה כבר ביד עבור 1.5 מיליון כוכבי שביל החלב, צ'נדרה הפנה את מבטו לתיאוריות קשורות שניתן לבדוק. אחד אחרון בלט.

ב2022, שתיים ניירות רמז על ציר זמן להיווצרות הדיסק של שביל החלב. התיאוריה אומרת שלאחר שהפרוטו-גלקסיה קמה, האזור "התבשל", אסף גז ויצר כוכבים עניים במתכות. לאחר מיליארד שנים, הגלקסיה המתעוררת "רתחה", והולידה בטירוף כוכבים עשירים במתכות במשך 2 מיליארד עד 3 מיליארד שנים. הכוכבים החדשים יותר היו שונים. הם עקבו אחר מסלולים שטוחים יותר. כשהגלקסיה התקררה, נוצרה דיסק דק כתער, מלאה בכוכבים החדשים שנטבעו (כולל השמש שלנו) הנעים במסלולים מעגליים מסודרים סביב המרכז הגלקטי.

1.5 מיליון הכוכבים במערך הנתונים של צ'נדרה אישרו את ציר הזמן הזה. "מה שאנחנו מסתכלים עליו הוא שביל החלב מסתובב בפעם הראשונה", הסביר. "אתה בעצם רואה את לידתה של הדיסק של הגלקסיה." הוא ועמיתיו משתמשים כעת במערך הנתונים המלא של 30 מיליון כוכבים כדי לספק מראה מקיף עוד יותר. "הבליטה רשמית מבלבלת כבר עשרות שנים," וויל קלרקסון, אסטרונום באוניברסיטת מישיגן, דירבורן. "זו הייתה פתיחה טובה של צוהר חדש לאוכלוסיית המאובנים הזו."