Astronomen graven de sterren op die de Melkweg hebben voortgebracht

Astronomen hebben dat al zo'n 20 jaar gedaan worstelde om een ​​oude groep sterren te vinden vermengd met het gas, stof en nieuwere sterren van de uitstulping van ons melkwegstelsel. Deze "fossiele" sterren gingen vooraf aan de Melkweg en hadden door hun onderscheidende chemie en banen waarneembaar moeten zijn geweest. Toch was tot voor kort slechts een klein aantal van hen ooit gevonden.

Nu heeft een vastberaden inspanning met behulp van data-intensief machinaal leren een groot aantal van hen opgegraven, waardoor hun kenmerken en lot in beeld zijn gebracht. De methoden die bij hun ontdekking zijn gebruikt, hebben wetenschappers in staat gesteld hun begrip van de vorming van de Melkweg en van schijfstelsels in het algemeen te actualiseren.

Concurrerende theorieën

Astronomen geloven dat de Melkweg werd voorafgegaan door iets dat een proto-sterrenstelsel wordt genoemd - een gewelddadige, chaotische plek met jonge sterren met wilde banen. Het oorsprongsverhaal begint geloofwaardig genoeg. Na de oerknal kwam donkere materie samen in ons deel van de ruimte. De donkere materie trok gewone materie aan. Toen ontstonden de eerste golven van sterren, maar hoe deze sterren daar kwamen, was een raadsel.

"Mensen hadden geen echt goed idee van hoe de proto-melkweg eruit zag," zei Vedante Chandra, een astrofysicus aan de Harvard University en een van de hoofdauteurs van a recente paper met details over de ontdekkingen van oude sterren.

Tegen de jaren 2000 hadden wetenschappers zich gevestigd twee vormingstheorieën. Of het proto-sterrenstelsel baarde intern de eerste sterren van de Melkweg, toen gas samensmolt tot sterren, of het kannibaliseerde andere sterrenstelsels, waarbij sterren eruit werden gerukt en donkere materie werd afgezogen. Om de vraag op te lossen, zouden astronomen de vroegste sterrenpopulatie van de Melkweg moeten isoleren. Studies geïdentificeerd kandidaat sterren, maar als de theorie van de interne kinderkamer correct was, lag een veel grotere fossiele populatie onontdekt.

De kans om ze te vinden kwam in 2022 toen de European Space Agency's Gaia-ruimtetelescoop heeft zijn derde volledige set gegevens vrijgegeven, genaamd DR3. Gaia werd 10 jaar geleden gelanceerd om de Melkweg te onderzoeken, en elke opeenvolgende publicatie van gegevens omvatte nauwkeurigere positiemetingen dan eerdere releases.

Belangrijk is dat DR3 ook stellaire spectra omvatte - metingen van hoe helder een ster is bij verschillende golflengten van licht. Deze spectrometrische metingen worden vaak gebruikt om de chemische elementen in een ster te onderzoeken.

Om de geboortedata van sterren te bepalen, vertrouwde het team op een standaard spectroscopische techniek die zoekt naar de handtekeningen van zware elementen. (In de astronomie betekent 'zwaar' alles wat massiever is dan waterstof of helium.) Naarmate het universum ouder wordt, ontploffen waterstofrijke sterren tot supernova's en sterven ze af, waarbij elementen zoals koolstof en zuurstof worden uitgestoten. Dit materiaal smelt vervolgens samen tot nieuwe sterren met zwaardere elementen, ook wel bekend als metaalrijke sterren. Dus recentere sterren zijn metaalrijk, en metaalarme sterren moeten afkomstig zijn uit het protostelsel.

Metaaldetectoren

Toen het team echter de Gaia DR3-gegevens zag, waren ze teleurgesteld toen ze ontdekten dat de spectrometeraflezingen te breed waren om individuele chemische pieken te onthullen. "De spectrale informatie voor ongeveer 200 miljoen sterren is vrijgegeven, maar dit zijn spectra met een zeer lage resolutie. Als je naar het spectrum kijkt, is het gewoon een stelletje kronkels,' zei Chandra.

Dus wendde het team zich tot machine learning om de signalen van zwaardere elementen uit de luidruchtige spectra met lage resolutie te extraheren. Ze gebruikten een kant-en-klaar algoritme genaamd XGBoost en trainden het met behulp van hoogwaardige spectrale gegevens van andere enquêtes. Met deze training kon het algoritme de metalliciteit van de sterren onthullen, uitsluitend op basis van de Gaia-bewegingen van lage kwaliteit. Toen het team hun voorspellingen dubbel controleerde aan de hand van gegevens die waren verzameld door drie andere onafhankelijke hoogwaardige hemelonderzoeken in drie unieke delen van de Melkweg, kwamen ze tot een grote overeenkomst.

Chandra onderzocht de innerlijke geheimen van het algoritme en ontdekte dat het de hoeveelheid zware elementen van een ster bijna uitsluitend baseerde op de calcium- en magnesiumabsorptielijnen van de ster. Het corrigeerde ook voor mogelijke bronnen van fouten, zoals de dichte kluwens van kosmisch stof en gas die tussen de aarde en het centrum van de Melkweg liggen. "De vorm van die kronkels zal veranderen als er veel stof in de zichtlijn naar de ster komt", zei hij. "En dat is belangrijk omdat we het centrum van de melkweg bestuderen, dat gevuld is met stof."

Het team bracht een populatie van 1.5 miljoen sterren terug tot ongeveer 18,000 vroege sterren met een lage metalliciteit in de uitstulping van de Melkweg. "Tien jaar geleden was ik heel blij dat ik een steekproef had van bijna 1,000 uitpuilende sterren met een lage metalliciteit", zei Melissa Ness, een astronoom aan de Columbia University. “We zitten nu in een regime van vele duizenden van deze metaalarme sterren. Dat is een ongelooflijke dataset om mee te werken.”

De onderzoekers moesten nog minstens één vraag beantwoorden: waar gingen de sterren van het protostelsel naartoe? Het antwoord kwam van een ander type meting die nieuw beschikbaar was in de Gaia DR3-release: de snelheid waarmee de sterren langs onze gezichtslijn bewegen. Het kennen van deze snelheid maakte het mogelijk om de baan van elke ster bloot te leggen.

Wat tevoorschijn kwam was een portret van een halo-vormig proto-melkwegstelsel, zoals verwacht door sommige theoretici. De populatie van oudere, metaalarme sterren cirkelde in een kleine, strakke bol met een straal van 9,000 lichtjaar, die het team het 'arme oude hart' van de Melkweg noemde.

Over het algemeen suggereren de bevindingen dat het proto-sterrenstelsel geen sterren van andere sterrenstelsels heeft gestolen. Als dat het geval was, zouden hun sterbanen in de richting van gebieden voorbij de Melkweg gaan.

Meer openbaringen

Met de snelheids- en spectrometriemetingen al in handen voor 1.5 miljoen Melkwegsterren, richtte Chandra zijn blik op gerelateerde theorieën die konden worden gecontroleerd. Een recente viel op.

In 2022, twee papieren hintte naar een tijdlijn voor de vorming van de schijf van de Melkweg. De theorie gaat dat nadat de proto-melkweg ontstond, de regio "sudde", gas verzamelde en metaalarme sterren creëerde. Na een miljard jaar 'kookte' het opkomende sterrenstelsel en baarde het als een bezetene metaalrijke sterren gedurende 2 miljard tot 3 miljard jaar. Deze nieuwere sterren waren anders. Ze volgden vlakkere banen. Terwijl het sterrenstelsel afkoelde, vormde zich een flinterdunne schijf, gevuld met de nieuw geslagen sterren (waaronder onze zon) die in nette cirkelvormige banen rond het galactische centrum bewogen.

De 1.5 miljoen sterren in Chandra's dataset bevestigden deze tijdlijn. "Waar we naar kijken is de Melkweg die voor het eerst ronddraait", legde hij uit. "Je ziet in wezen de geboorte van de schijf van de melkweg." Hij en zijn collega's gebruiken nu de volledige dataset van 30 miljoen sterren om een ​​nog completer beeld te geven. "De uitstulping is al tientallen jaren officieel verwarrend", Wil Clarkson, een astronoom aan de Universiteit van Michigan, Dearborn. "Dit was een goede opening van een nieuw venster op deze fossiele populatie."