Astronomer graver opp stjernene som fødte Melkeveien

I rundt 20 år har astronomer gjort det slet for å finne en eldgammel gruppe stjerner blandet med gassen, støvet og nyere stjerner i vår galakse. Disse "fossile" stjernene gikk foran Melkeveien og burde vært synlige ved deres særegne kjemi og baner. Men inntil nylig hadde bare et lite antall av dem noen gang blitt funnet.

Nå har en målbevisst innsats ved bruk av dataintensiv maskinlæring avdekket en rekke av dem, og satt fokus på funksjonene og skjebnen deres. Metodene som ble brukt i oppdagelsen deres har gjort det mulig for forskere å oppdatere sin forståelse av Melkeveiens dannelse og av diskgalakser generelt.

Konkurrerende teorier

Astronomer tror at Melkeveien ble innledet av noe som kalles en proto-galakse - et voldelig, kaotisk sted som inneholder unge stjerner med ville baner. Opprinnelseshistorien starter troverdig nok. Etter Big Bang smeltet mørk materie sammen i vår region i verdensrommet. Den mørke materien tiltrakk seg vanlig materie. De første bølgene av stjerner oppsto da, men hvordan disse stjernene kom dit var det noen som kunne gjette.

"Folk hadde ikke en veldig god ide om hvordan proto-galaksen så ut," sa Vedant Chandra, en astrofysiker ved Harvard University og en av hovedforfatterne på en nyere artikkel som beskriver de eldgamle stjernefunnene.

På 2000-tallet hadde forskerne slått seg til ro to formasjonsteorier. Enten fødte proto-galaksen Melkeveiens første stjerner internt, da gass smeltet sammen til stjerner, eller så kannibaliserte den andre galakser, rev ut stjerner og sugde av mørk materie. For å avgjøre spørsmålet, må astronomer isolere Melkeveiens tidligste stjernepopulasjon. Studier identifisert kandidatstjerner, men hvis intern-barnehagsteorien var riktig, lå en mye større fossilpopulasjon uoppdaget.

Muligheten til å finne dem kom i 2022 da European Space Agency's Gaia romteleskop ga ut sitt tredje komplette sett med data, kalt DR3. Gaia ble lansert for 10 år siden for å kartlegge Melkeveien, og hver påfølgende datautgivelse har inkludert mer nøyaktige posisjonsmålinger enn tidligere utgivelser.

Viktigere, DR3 inkluderte også stjernespektre - målinger av hvor lys en stjerne er ved forskjellige bølgelengder av lys. Disse spektrometrimålingene brukes ofte til å undersøke de kjemiske elementene inne i en stjerne.

For å bestemme stjernens fødselsdato, stolte teamet på en standard spektroskopisk teknikk som ser etter signaturene til tunge elementer. (I astronomi betyr "tung" alt som er mer massivt enn hydrogen eller helium.) Når universet eldes, detonerer hydrogenrike stjerner til supernovaer og dør, og spyr ut elementer som karbon og oksygen. Dette materialet smelter deretter sammen til nye stjerner med tyngre grunnstoffer, også kjent som metallrike stjerner. Så nyere stjerner er metallrike, og metallfattige stjerner må ha sin opprinnelse i proto-galaksen.

Metalldetektorer

Da teamet så Gaia DR3-dataene, ble de imidlertid skuffet over å oppdage at spektrometeravlesningene var for brede til å avsløre individuelle kjemiske topper. "Spektralinformasjonen for rundt 200 millioner stjerner ble frigitt, men disse er spektre med svært lav oppløsning. Hvis du ser på spekteret, er det bare en haug med vrikk,” sa Chandra.

Så teamet vendte seg til maskinlæring for å trekke ut signalene fra tyngre elementer fra de støyende, lavoppløselige spektrene. De brukte en hyllevare-algoritme kalt XGBoost, og trente den ved å bruke høykvalitets spektraldata fra andre undersøkelser. Med denne treningen var algoritmen i stand til å avsløre stjernenes metallisitet utelukkende basert på Gaia-viftene av lav kvalitet. Da teamet dobbeltsjekket spådommene sine mot data samlet inn av tre andre uavhengige himmelundersøkelser av høy kvalitet i tre unike deler av Melkeveien, fant de tett enighet.

Ved å se på de indre hemmelighetene til algoritmen fant Chandra at den bestemte en stjernes overflod av tunge elementer basert nesten utelukkende på stjernens kalsium- og magnesiumabsorpsjonslinjer. Den korrigerte også for potensielle feilkilder, for eksempel de tette flokene av kosmisk støv og gass som ligger mellom Jorden og sentrum av Melkeveien. "Formen på disse vrikkene vil endre seg hvis det er mye støv i siktelinjen til stjernen," sa han. "Og det er viktig fordi vi studerer sentrum av galaksen, som er fylt med støv."

Teamet reduserte en befolkning på 1.5 millioner stjerner til omtrent 18,000 1,000 tidlige stjerner med lav metallisitet i Melkeveiens bule. "For et tiår siden var jeg begeistret for å ha et utvalg av nesten XNUMX lavmetallisitet bulge stjerner," sa Melissa Ness, en astronom ved Columbia University. «Vi er nå i et regime med mange tusen av disse metallfattige stjernene. Det er et utrolig datasett å jobbe med.»

Forskerne trengte fortsatt å svare på minst ett spørsmål til: Hvor var proto-galaksens stjerner på vei? Svaret kom fra en annen type måling som nylig er tilgjengelig i Gaia DR3-utgivelsen - hastigheten som stjernene beveger seg langs vår siktlinje. Å kjenne denne hastigheten gjorde det mulig å avdekke hver stjernes bane.

Det som dukket opp var et portrett av en haloformet proto-galakse, slik noen teoretikere hadde forutsett. Befolkningen av eldre, metallfattige stjerner gikk i bane rundt en liten, tett kule med en radius på 9,000 lysår, som teamet kalte Melkeveiens "fattige gamle hjerte".

Samlet sett tyder funnene på at proto-galaksen ikke stjal stjerner fra andre galakser. Hvis den hadde det, ville deres stjernebaner være på vei mot områder utenfor Melkeveien.

Flere åpenbaringer

Med hastighets- og spektrometrimålingene allerede i hånden for 1.5 millioner Melkeveisstjerner, kastet Chandra blikket mot relaterte teorier som kunne kontrolleres. En nylig skilte seg ut.

I 2022, to papirer antydet en tidslinje for Melkeveiens skiveformasjon. Teorien sier at etter at proto-galaksen oppsto, "badet" regionen, samlet gass og skapte metallfattige stjerner. Etter en milliard år "kokte den fremvoksende galaksen", og fødte febrilsk metallrike stjerner i 2 milliarder til 3 milliarder år. Disse nyere stjernene var annerledes. De fulgte flatere baner. Da galaksen ble avkjølt, dannet det seg en syltynn skive, fylt med de nylig pregede stjernene (inkludert solen vår) som beveget seg i ryddige sirkulære baner rundt det galaktiske sentrum.

De 1.5 millioner stjernene i Chandras datasett bekreftet denne tidslinjen. "Det vi ser på er Melkeveien som snurrer opp for første gang," forklarte han. "Du ser egentlig fødselen til galaksens skive." Han og kollegene hans bruker nå hele datasettet på 30 millioner stjerner for å gi et enda mer omfattende utseende. "Uten har offisielt vært forvirrende i flere tiår," Will Clarkson, en astronom ved University of Michigan, Dearborn. "Dette har vært en god åpning av et nytt vindu inn i denne fossilpopulasjonen."