Astrônomos desenterram as estrelas que deram origem à Via Láctea

Por cerca de 20 anos, os astrônomos têm lutado para encontrar um antigo grupo de estrelas misturado com gás, poeira e estrelas mais novas do bojo da nossa galáxia. Essas estrelas “fósseis” precederam a Via Láctea e deveriam ser discerníveis por sua química e órbitas distintas. No entanto, até recentemente, apenas um pequeno número deles havia sido encontrado.

Agora, um esforço determinado usando aprendizado de máquina intensivo em dados desenterrou um tesouro deles, colocando em foco seus recursos e destinos. Os métodos usados ​​em sua descoberta permitiram aos cientistas atualizar sua compreensão da formação da Via Láctea e dos discos galácticos em geral.

Teorias concorrentes

Os astrônomos acreditam que a Via Láctea foi precedida por algo chamado proto-galáxia – um lugar violento e caótico contendo estrelas jovens com órbitas selvagens. Sua história de origem começa com credibilidade suficiente. Após o Big Bang, a matéria escura se aglutinou em nossa região do espaço. A matéria escura atraiu a matéria comum. Surgiram então as primeiras ondas de estrelas, mas ninguém sabe como essas estrelas chegaram lá.

“As pessoas não tinham uma ideia muito boa de como era a protogaláxia”, disse Vedante Chandra, um astrofísico da Universidade de Harvard e um dos principais autores de um artigo recente detalhando as antigas descobertas estelares.

Na década de 2000, os cientistas decidiram duas teorias de formação. Ou a protogaláxia deu origem às primeiras estrelas da Via Láctea internamente, à medida que o gás se fundiu em estrelas, ou canibalizou outras galáxias, arrancando estrelas e sugando a matéria escura. Para resolver a questão, os astrônomos precisariam isolar a população estelar mais antiga da Via Láctea. Estudos identificados estrelas candidatas, mas se a teoria do berçário interno estiver correta, uma população fóssil muito maior ainda não foi descoberta.

A oportunidade de encontrá-los chegou em 2022, quando a Agência Espacial Europeia telescópio espacial Gaia lançou seu terceiro conjunto completo de dados, chamado DR3. O Gaia foi lançado há 10 anos para pesquisar a Via Láctea, e cada lançamento sucessivo de dados incluiu medições de posição mais precisas do que lançamentos anteriores.

É importante ressaltar que o DR3 também incluiu espectros estelares - medições de quão brilhante é uma estrela em diferentes comprimentos de onda de luz. Essas medições de espectrometria são comumente usadas para examinar os elementos químicos dentro de uma estrela.

Para determinar as datas de nascimento das estrelas, a equipe contou com uma técnica espectroscópica padrão que procura as assinaturas de elementos pesados. (Em astronomia, “pesado” significa qualquer coisa mais massiva do que hidrogênio ou hélio.) À medida que o universo envelhece, estrelas ricas em hidrogênio detonam em supernovas e morrem, expelindo elementos como carbono e oxigênio. Esse material então se aglutina em novas estrelas de elementos mais pesados, também conhecidas como estrelas ricas em metais. Portanto, as estrelas mais recentes são ricas em metais e as estrelas pobres em metais devem ter se originado na protogaláxia.

Detectores de metal

Quando a equipe viu os dados do Gaia DR3, no entanto, eles ficaram desapontados ao descobrir que as leituras do espectrômetro eram muito amplas para revelar picos químicos individuais. “As informações espectrais de cerca de 200 milhões de estrelas foram divulgadas, mas são espectros de resolução muito baixa. Se você olhar para o espectro, verá apenas um monte de oscilações”, disse Chandra.

Assim, a equipe recorreu ao aprendizado de máquina para extrair os sinais de elementos mais pesados ​​dos espectros ruidosos e de baixa resolução. Eles usaram um algoritmo pronto para uso chamado XGBoost e o treinaram usando dados espectrais de alta qualidade de outras pesquisas. Com esse treinamento, o algoritmo foi capaz de revelar a metalicidade das estrelas com base apenas nas oscilações de Gaia de baixa qualidade. Quando a equipe verificou duas vezes suas previsões com os dados coletados por três outras pesquisas independentes do céu de alta qualidade em três seções exclusivas da Via Láctea, eles encontraram um acordo firme.

Olhando para os segredos internos do algoritmo, Chandra descobriu que ele decidia a abundância de elementos pesados ​​de uma estrela com base quase exclusivamente nas linhas de absorção de cálcio e magnésio da estrela. Ele também corrigiu possíveis fontes de erro, como os densos emaranhados de poeira cósmica e gás que se encontram entre a Terra e o centro da Via Láctea. “A forma dessas oscilações mudará se houver muita poeira na linha de visão da estrela”, disse ele. “E isso é importante porque estamos estudando o centro da galáxia, que está cheio de poeira.”

A equipe reduziu uma população de 1.5 milhão de estrelas para cerca de 18,000 estrelas iniciais com baixa metalicidade localizadas no bojo da Via Láctea. “Há uma década, fiquei emocionado ao ter uma amostra de quase 1,000 estrelas protuberantes de baixa metalicidade”, disse Melissa Ness, um astrônomo da Universidade de Columbia. “Estamos agora em um regime de ter muitos milhares dessas estrelas pobres em metais. Esse é um conjunto de dados incrível para trabalhar.”

Os pesquisadores ainda precisavam responder pelo menos mais uma pergunta: para onde estavam indo as estrelas da protogaláxia? A resposta veio de outro tipo de medição recentemente disponível no lançamento do Gaia DR3 – a velocidade com que as estrelas se movem ao longo de nossa linha de visão. Conhecer essa velocidade tornou possível descobrir a órbita de cada estrela.

O que surgiu foi um retrato de uma proto-galáxia em forma de halo, conforme antecipado por alguns teóricos. A população de estrelas idosas e pobres em metais orbitava uma esfera pequena e apertada com um raio de 9,000 anos-luz, que a equipe apelidou de “pobre velho coração” da Via Láctea.

No geral, as descobertas sugerem que a proto-galáxia não roubou estrelas de outras galáxias. Se tivesse, suas órbitas estelares seriam direcionadas para regiões além da Via Láctea.

Mais revelações

Com as medições de velocidade e espectrometria já disponíveis para 1.5 milhão de estrelas da Via Láctea, Chandra lançou seu olhar para teorias relacionadas que poderiam ser verificadas. Um recente se destacou.

Em 2022, dois papéis sugeriu uma linha do tempo para a formação do disco da Via Láctea. A teoria diz que depois que a proto-galáxia surgiu, a região “ferveu”, coletando gás e criando estrelas pobres em metais. Depois de um bilhão de anos, a galáxia emergente “ferveu”, dando à luz freneticamente estrelas ricas em metal por 2 bilhões a 3 bilhões de anos. Essas estrelas mais novas eram diferentes. Eles seguiram órbitas mais planas. À medida que a galáxia esfriava, formou-se um disco fino como uma navalha, preenchido com as estrelas recém-formadas (incluindo o nosso sol) movendo-se em órbitas circulares organizadas ao redor do centro galáctico.

As 1.5 milhões de estrelas no conjunto de dados do Chandra confirmaram esta linha do tempo. “O que estamos vendo é a Via Láctea girando pela primeira vez”, explicou ele. “Você está essencialmente vendo o nascimento do disco da galáxia.” Ele e seus colegas agora estão usando o conjunto completo de dados de 30 milhões de estrelas para fornecer uma visão ainda mais abrangente. “A protuberância tem sido oficialmente confusa por décadas”, Clarkson, um astrônomo da Universidade de Michigan, Dearborn. “Esta foi uma boa abertura de uma nova janela para esta população fóssil.”