Astronomii dezgroapă stelele care au născut Calea Lactee

De aproximativ 20 de ani, astronomii au zbuciumat pentru a găsi un grup străvechi de stele amestecate cu gazul, praful și stele mai noi din umflătura galaxiei noastre. Aceste stele „fosile” au precedat Calea Lactee și ar fi trebuit să fie vizibile după chimia și orbitele lor distincte. Cu toate acestea, până de curând, doar un număr mic dintre ele fuseseră găsite vreodată.

Acum, un efort hotărât care folosește învățarea automată a datelor intensive a scos la iveală o mulțime de ele, punând în evidență caracteristicile și destinele lor. Metodele folosite în descoperirea lor au permis oamenilor de știință să își actualizeze înțelegerea despre formarea Căii Lactee și despre galaxiile disc în general.

Teorii concurente

Astronomii cred că Calea Lactee a fost precedată de ceva numit proto-galaxie – un loc violent, haotic, care conține stele tinere cu orbite sălbatice. Povestea sa de origine începe destul de credibil. După Big Bang, materia întunecată s-a unit în regiunea noastră a spațiului. Materia întunecată a atras materia obișnuită. Atunci au apărut primele valuri de stele, dar cum au ajuns aceste stele acolo era de ghicit oricine.

„Oamenii nu aveau o idee foarte bună despre cum arată proto-galaxia”, a spus Vedant Chandra, un astrofizician la Universitatea Harvard și unul dintre autorii principali ai a hârtie recentă care detaliază descoperirile străvechi de stele.

Până în anii 2000, oamenii de știință se stabiliseră două teorii de formare. Fie proto-galaxia a dat naștere primelor stele ale Căii Lactee în interior, pe măsură ce gazul s-a unit în stele, fie a canibalizat alte galaxii, smulgând stelele și sifonând materia întunecată. Pentru a rezolva problema, astronomii ar trebui să izoleze prima populație de stele a Căii Lactee. Studii identificate vedete candidate, dar dacă teoria pepinierelor interne era corectă, o populație de fosile mult mai mare a rămas nedescoperită.

Oportunitatea de a le găsi a venit în 2022 când Agenția Spațială Europeană Telescopul spațial Gaia a lansat al treilea set complet de date, numit DR3. Gaia a fost lansat în urmă cu 10 ani pentru a cerceta Calea Lactee și fiecare lansare succesivă de date a inclus măsurători de poziție mai precise decât versiunile anterioare.

Foarte important, DR3 a inclus și spectre stelare - măsurători ale cât de strălucitoare este o stea la diferite lungimi de undă de lumină. Aceste măsurători spectrometrice sunt utilizate în mod obișnuit pentru a examina elementele chimice din interiorul unei stele.

Pentru a determina datele nașterii stelelor, echipa s-a bazat pe o tehnică spectroscopică standard care caută semnăturile elementelor grele. (În astronomie, „greu” înseamnă ceva mai masiv decât hidrogenul sau heliul.) Pe măsură ce universul îmbătrânește, stelele bogate în hidrogen detonează în supernove și mor, aruncând elemente precum carbonul și oxigenul. Acest material se unește apoi în stele noi, cu elemente mai grele, cunoscute și sub numele de stele bogate în metale. Așa că stelele mai recente sunt bogate în metale, iar stelele sărace în metale trebuie să-și fi avut originea în proto-galaxie.

Detectoare de metale

Când echipa a văzut datele Gaia DR3, totuși, au fost dezamăgiți să descopere că citirile spectrometrului erau prea largi pentru a dezvălui vârfuri chimice individuale. „Informațiile spectrale pentru aproximativ 200 de milioane de stele au fost lansate, dar acestea sunt spectre cu rezoluție foarte scăzută. Dacă te uiți la spectru, este doar o grămadă de mișcări”, a spus Chandra.

Așa că echipa a apelat la învățarea automată pentru a extrage semnalele elementelor mai grele din spectrele zgomotoase, de rezoluție scăzută. Ei au folosit un algoritm standard numit XGBoost și l-au antrenat folosind date spectrale de înaltă calitate din alte sondaje. Cu acest antrenament, algoritmul a reușit să dezvăluie metalicitatea stelelor pe baza exclusivă a mișcării Gaia de calitate scăzută. Când echipa și-a verificat de două ori predicțiile față de datele culese de alte trei sondaje independente ale cerului de înaltă calitate în trei secțiuni unice ale Calei Lactee, au găsit un acord strâns.

Analizând secretele interioare ale algoritmului, Chandra a descoperit că a decis abundența elementelor grele a unei stele pe baza aproape exclusiv pe liniile de absorbție de calciu și magneziu ale stelei. De asemenea, a corectat sursele potențiale de eroare, cum ar fi încurcăturile dense de praf și gaz cosmic care se află între Pământ și centrul Căii Lactee. „Forma acelor mișcări se va schimba dacă există mult praf în raza vizuală a stelei”, a spus el. „Și asta este important pentru că studiem centrul galaxiei, care este plin de praf.”

Echipa a redus o populație de 1.5 milioane de stele la aproximativ 18,000 de stele timpurii cu metalitate scăzută, situate în umflătura Căii Lactee. „Acum un deceniu, am fost încântat să am un eșantion de aproape 1,000 de stele bombate cu metalicitate scăzută”, a spus Melissa Ness, astronom la Universitatea Columbia. „Acum suntem într-un regim în care avem multe mii de aceste stele sărace în metal. Acesta este un set de date incredibil cu care să lucrați.”

Cercetătorii mai trebuiau să răspundă la cel puțin încă o întrebare: Încotro se îndreptau stelele proto-galaxiei? Răspunsul a venit de la un alt tip de măsurători nou disponibil în versiunea Gaia DR3 - viteza cu care stelele se mișcă de-a lungul liniei noastre de vedere. Cunoașterea acestei viteze a făcut posibilă descoperirea orbitei fiecărei stele.

Ceea ce a apărut a fost un portret al unei proto-galaxii în formă de aureolă, așa cum au anticipat unii teoreticieni. Populația de stele în vârstă, sărace în metal, a orbitat într-o sferă mică și strânsă, cu o rază de 9,000 de ani lumină, pe care echipa a numit-o „biata inimă bătrână” a Căii Lactee.

În general, descoperirile sugerează că proto-galaxia nu a furat stele din alte galaxii. Dacă ar fi avut-o, orbitele lor stelare s-ar îndrepta către regiuni dincolo de Calea Lactee.

Mai multe revelații

Cu măsurătorile vitezei și spectrometriei deja la îndemână pentru 1.5 milioane de stele din Calea Lactee, Chandra și-a aruncat privirea către teorii înrudite care ar putea fi verificate. Unul recent s-a remarcat.

În 2022, Două lucrări a sugerat o cronologie pentru formarea discului Căii Lactee. Teoria spune că, după ce a apărut proto-galaxia, regiunea a „fierbet”, colectând gaze și creând stele sărace în metal. După un miliard de ani, galaxia emergentă „a fiert”, dând naștere frenetic stele bogate în metale timp de 2 până la 3 miliarde de ani. Aceste stele mai noi erau diferite. Au urmat orbite mai plate. Pe măsură ce galaxia s-a răcit, s-a format un disc subțire ca un brici, umplut cu stelele nou bătute (inclusiv soarele nostru) care se mișcau pe orbite circulare ordonate în jurul centrului galactic.

Cele 1.5 milioane de stele din setul de date Chandra au confirmat această cronologie. „Ceea ce ne uităm este că Calea Lactee se învârte pentru prima dată”, a explicat el. „În esență, vedeți nașterea discului galaxiei.” El și colegii săi folosesc acum setul complet de date de 30 de milioane de stele pentru a oferi un aspect și mai cuprinzător. „Bombajul a fost oficial confuz de zeci de ani”, Will Clarkson, astronom la Universitatea din Michigan, Dearborn. „Aceasta a fost o deschidere bună a unei noi ferestre în această populație de fosile.”