Astronomowie wykopują gwiazdy, które dały początek Drodze Mlecznej

Astronomowie od około 20 lat walczyli znaleźć starożytną grupę gwiazd zmieszaną z gazem, pyłem i nowszymi gwiazdami zgrubienia naszej galaktyki. Te „skamieniałe” gwiazdy poprzedzały Drogę Mleczną i powinny być dostrzegalne dzięki charakterystycznemu składowi chemicznemu i orbitom. Jednak do niedawna odnaleziono tylko niewielką ich liczbę.

Teraz dzięki zdecydowanym wysiłkom wykorzystującym uczenie maszynowe intensywnie korzystające z danych udało się odkryć ich skarbiec, skupiając się na ich cechach i losach. Metody zastosowane w ich odkryciu umożliwiły naukowcom zaktualizowanie wiedzy na temat formowania się Drogi Mlecznej i ogólnie galaktyk dyskowych.

Konkurencyjne teorie

Astronomowie uważają, że przed Drogą Mleczną istniało coś, co nazywa się protogalaktyką — gwałtowne, chaotyczne miejsce zawierające młode gwiazdy o dzikich orbitach. Historia jego powstania zaczyna się dość wiarygodnie. Po Wielkim Wybuchu ciemna materia skupiła się w naszym regionie kosmosu. Ciemna materia przyciągała zwykłą materię. Wtedy pojawiły się pierwsze fale gwiazd, ale nikt nie zgadywał, jak te gwiazdy się tam dostały.

„Ludzie nie mieli naprawdę dobrego pojęcia o tym, jak wyglądała protogalaktyka” – powiedział Wedant Chandra, astrofizyk z Uniwersytetu Harvarda i jeden z głównych autorów książki a Ostatni artykuł szczegółowo opisując starożytne odkrycia gwiazd.

Do 2000 roku naukowcy osiedlili się dwie teorie formacyjne. Albo protogalaktyka zrodziła wewnętrznie pierwsze gwiazdy Drogi Mlecznej, gdy gaz połączył się w gwiazdy, albo kanibalizowała inne galaktyki, wyrywając gwiazdy i wysysając ciemną materię. Aby rozstrzygnąć tę kwestię, astronomowie musieliby wyizolować najwcześniejszą populację gwiazd Drogi Mlecznej. Zidentyfikowane badania gwiazdy kandydujące, ale jeśli teoria wewnętrznego żłobka była poprawna, znacznie większa populacja skamielin leżała nieodkryta.

Okazja do ich odnalezienia nadeszła w 2022 roku, kiedy Europejska Agencja Kosmiczna Teleskop kosmiczny Gaia udostępnił swój trzeci pełny zestaw danych, tzw DR3. Gaia została wystrzelona 10 lat temu w celu zbadania Drogi Mlecznej i obejmowała każdą kolejną publikację danych dokładniejsze pomiary położenia niż wcześniejsze wydania.

Co ważne, DR3 obejmował również widma gwiazd — pomiary jasności gwiazdy przy różnych długościach fali światła. Te pomiary spektrometryczne są powszechnie stosowane do badania pierwiastków chemicznych wewnątrz gwiazdy.

Aby określić daty narodzin gwiazd, zespół oparł się na standardowej technice spektroskopowej, która szuka sygnatur ciężkich pierwiastków. (W astronomii „ciężki” oznacza wszystko, co jest masywniejsze niż wodór czy hel.) Wraz ze starzeniem się wszechświata gwiazdy bogate w wodór wybuchają w supernowe i umierają, wyrzucając pierwiastki, takie jak węgiel i tlen. Materia ta łączy się następnie w nowe, cięższe gwiazdy, znane również jako gwiazdy bogate w metale. Tak więc nowsze gwiazdy są bogate w metale, a gwiazdy ubogie w metale musiały pochodzić z protogalaktyki.

Wykrywacze metalu

Kiedy jednak zespół zobaczył dane z Gaia DR3, był rozczarowany odkryciem, że odczyty spektrometru były zbyt szerokie, aby ujawnić poszczególne piki chemiczne. „Opublikowano informacje widmowe dla około 200 milionów gwiazd, ale są to widma o bardzo niskiej rozdzielczości. Jeśli spojrzysz na widmo, to tylko kilka drgań” – powiedział Chandra.

Zespół zwrócił się więc ku uczeniu maszynowemu, aby wyodrębnić sygnały cięższych pierwiastków z hałaśliwych widm o niskiej rozdzielczości. Użyli gotowego algorytmu o nazwie XGBoost i wyszkolili go przy użyciu wysokiej jakości danych spektralnych z innych badań. Dzięki temu szkoleniu algorytm był w stanie ujawnić metaliczność gwiazd w oparciu wyłącznie o niskiej jakości drgania Gai. Kiedy zespół dwukrotnie porównał swoje przewidywania z danymi zebranymi przez trzy inne niezależne wysokiej jakości przeglądy nieba w trzech unikalnych sekcjach Drogi Mlecznej, osiągnęli ścisłą zgodność.

Przyglądając się wewnętrznym sekretom algorytmu, Chandra odkryła, że ​​o obfitości pierwiastków ciężkich w gwieździe decyduje prawie wyłącznie na podstawie linii absorpcji wapnia i magnezu gwiazdy. Skorygowano również potencjalne źródła błędów, takie jak gęste sploty kosmicznego pyłu i gazu, które znajdują się między Ziemią a centrum Drogi Mlecznej. „Kształt tych drgań zmieni się, jeśli w linii wzroku gwiazdy będzie dużo pyłu” – powiedział. „I to ważne, ponieważ badamy centrum galaktyki, które jest wypełnione pyłem”.

Zespół zredukował populację 1.5 miliona gwiazd do około 18,000 1,000 wczesnych gwiazd o niskiej metaliczności, zlokalizowanych w zgrubieniu Drogi Mlecznej. „Dziesięć lat temu byłem zachwycony, mając próbkę prawie XNUMX gwiazd z wypukłościami o niskiej metaliczności” – powiedział Melisa Ness, astronom z Columbia University. „Jesteśmy teraz w reżimie, w którym mamy wiele tysięcy tych ubogich w metal gwiazd. To niesamowity zestaw danych do pracy”.

Naukowcy nadal musieli odpowiedzieć na co najmniej jedno pytanie: dokąd zmierzały gwiazdy protogalaktyki? Odpowiedź nadeszła z innego rodzaju pomiaru, nowo dostępnego w wydaniu Gaia DR3 — prędkości, z jaką gwiazdy poruszają się wzdłuż naszej linii wzroku. Znajomość tej prędkości umożliwiła odkrycie orbity każdej gwiazdy.

Wyłonił się portret protogalaktyki w kształcie halo, zgodnie z przewidywaniami niektórych teoretyków. Populacja starszych, ubogich w metale gwiazd krążyła wokół małej, ciasnej kuli o promieniu 9,000 lat świetlnych, którą zespół nazwał „biednym starym sercem” Drogi Mlecznej.

Podsumowując, odkrycia sugerują, że protogalaktyka nie kradła gwiazd z innych galaktyk. Gdyby tak było, ich gwiezdne orbity kierowałyby się w stronę obszarów poza Drogą Mleczną.

Więcej objawień

Mając już w ręku pomiary prędkości i spektrometrii dla 1.5 miliona gwiazd Drogi Mlecznej, Chandra zwrócił uwagę na powiązane teorie, które można było sprawdzić. Jeden z ostatnich się wyróżniał.

W 2022, drugiej Papiery zasugerował oś czasu formowania się dysku Drogi Mlecznej. Teoria głosi, że po powstaniu protogalaktyki region „gotował się”, gromadząc gaz i tworząc gwiazdy ubogie w metale. Po miliardzie lat wschodząca galaktyka „zagotowała się”, gorączkowo rodząc gwiazdy bogate w metale przez 2 do 3 miliardów lat. Te nowsze gwiazdy były inne. Poruszali się po bardziej płaskich orbitach. Gdy galaktyka ochładzała się, utworzył się cienki jak brzytwa dysk, wypełniony nowo powstałymi gwiazdami (w tym naszym słońcem) poruszającymi się po uporządkowanych kołowych orbitach wokół centrum galaktyki.

1.5 miliona gwiazd w zbiorze danych Chandry potwierdziło tę oś czasu. „To, na co patrzymy, to Droga Mleczna obracająca się po raz pierwszy” — wyjaśnił. „Zasadniczo widzisz narodziny dysku galaktyki”. On i jego współpracownicy używają teraz pełnego zestawu danych 30 milionów gwiazd, aby zapewnić jeszcze pełniejszy obraz. „Wybrzuszenie było oficjalnie mylące przez dziesięciolecia” Willa Clarksona, astronom z University of Michigan w Dearborn. „To było dobre otwarcie nowego okna na tę skamieniałą populację”.