Астрономы раскопали звезды, породившие Млечный Путь

Около 20 лет астрономы боролись найти древнюю группу звезд, смешанную с газом, пылью и более новыми звездами выпуклости нашей галактики. Эти «ископаемые» звезды предшествовали Млечному Пути и должны были быть различимы по их характерному химическому составу и орбитам. Однако до недавнего времени было обнаружено лишь небольшое их количество.

Теперь решительные усилия с использованием машинного обучения с интенсивным использованием данных раскопали их множество, сосредоточив внимание на их особенностях и судьбах. Методы, использованные при их открытии, позволили ученым обновить свое понимание формирования Млечного Пути и дисковых галактик в целом.

Конкурирующие теории

Астрономы считают, что Млечному Пути предшествовало нечто, называемое протогалактикой — бурное, хаотичное место, содержащее молодые звезды с дикими орбитами. История его происхождения начинается достаточно правдоподобно. После Большого взрыва темная материя объединилась в нашей области космоса. Темная материя притягивала обычную материю. Затем возникли первые волны звезд, но как эти звезды туда попали, оставалось только гадать.

«У людей не было действительно хорошего представления о том, как выглядела протогалактика», — сказал Ведант Чандра, астрофизик Гарвардского университета и один из ведущих авторов Недавняя статья с подробным описанием открытий древних звезд.

К 2000-м годам ученые остановились на две теории формирования. Либо протогалактика породила первые звезды Млечного Пути внутри себя, когда газ слился в звезды, либо она поглотила другие галактики, вырвав звезды и выкачав темную материю. Чтобы решить этот вопрос, астрономам нужно будет изолировать самое раннее звездное население Млечного Пути. Выявленные исследования кандидаты в звезды, но если теория внутренних питомников была верна, гораздо большая популяция ископаемых оставалась неоткрытой.

Возможность найти их появилась в 2022 году, когда Европейское космическое агентство космический телескоп Гайя выпустила свой третий полный набор данных под названием DR3. Gaia была запущена 10 лет назад для исследования Млечного Пути, и каждый последующий выпуск данных включал более точные измерения положения чем предыдущие выпуски.

Важно отметить, что DR3 также включал в себя звездные спектры — измерения того, насколько ярко звезда светит на разных длинах волн. Эти спектрометрические измерения обычно используются для изучения химических элементов внутри звезды.

Чтобы определить даты рождения звезд, команда использовала стандартную спектроскопическую технику, которая ищет сигнатуры тяжелых элементов. (В астрономии «тяжелый» означает все, что массивнее водорода или гелия.) По мере старения Вселенной звезды, богатые водородом, взрываются, превращаются в сверхновые и умирают, извергая такие элементы, как углерод и кислород. Этот материал затем объединяется в новые звезды с более тяжелыми элементами, также известные как звезды, богатые металлами. Таким образом, более поздние звезды богаты металлами, а звезды с низким содержанием металлов должны были возникнуть в протогалактике.

Металлодетекторы

Однако, когда команда увидела данные Gaia DR3, они были разочарованы, обнаружив, что показания спектрометра были слишком широкими, чтобы выявить отдельные химические пики. «Была опубликована спектральная информация примерно о 200 миллионах звезд, но это спектры очень низкого разрешения. Если вы посмотрите на спектр, это просто куча покачиваний, — сказала Чандра.

Поэтому команда обратилась к машинному обучению, чтобы извлечь сигналы более тяжелых элементов из шумных спектров с низким разрешением. Они использовали готовый алгоритм под названием XGBoost и обучили его, используя высококачественные спектральные данные из других обзоров. С помощью этого обучения алгоритм смог выявить металличность звезд исключительно на основе некачественных покачиваний Гайи. Когда команда перепроверила свои прогнозы по данным, собранным тремя другими независимыми высококачественными обзорами неба в трех уникальных участках Млечного Пути, они обнаружили полное совпадение.

Изучая внутренние секреты алгоритма, Чандра обнаружил, что он определяет содержание тяжелых элементов в звезде почти исключительно на основе линий поглощения кальция и магния звезды. Также были исправлены потенциальные источники ошибок, такие как плотные клубки космической пыли и газа, лежащие между Землей и центром Млечного Пути. «Форма этих покачиваний изменится, если на линии взгляда на звезду будет много пыли», — сказал он. «И это важно, потому что мы изучаем центр галактики, который заполнен пылью».

Команда сократила популяцию из 1.5 миллиона звезд до примерно 18,000 1,000 ранних звезд с низкой металличностью, расположенных в выпуклости Млечного Пути. «Десять лет назад я был в восторге от того, что получил образец из почти XNUMX низкометалличных звезд балджа», — сказал он. Мелисса Несс, астроном Колумбийского университета. «Сейчас мы находимся в режиме многих тысяч этих бедных металлом звезд. Это невероятный набор данных для работы».

Исследователям еще предстояло ответить по крайней мере еще на один вопрос: куда направлялись звезды протогалактики? Ответ пришел из другого типа измерения, недавно доступного в выпуске Gaia DR3 — скорости, с которой звезды движутся вдоль нашего луча зрения. Знание этой скорости позволило раскрыть орбиту каждой звезды.

То, что получилось, было портретом протогалактики в форме гало, как и предполагали некоторые теоретики. Популяция пожилых, бедных металлами звезд вращалась вокруг маленькой плотной сферы радиусом 9,000 световых лет, которую команда назвала «бедным старым сердцем» Млечного Пути.

В целом результаты показывают, что протогалактика не крала звезды у других галактик. Если бы это было так, их звездные орбиты направлялись бы к областям за пределами Млечного Пути.

Больше откровений

Имея результаты измерений скорости и спектрометрии для 1.5 миллиона звезд Млечного Пути, Чандра обратил свой взор на связанные теории, которые можно было бы проверить. Выделился один недавний.

В 2022 два бумага намекнул на временную шкалу формирования диска Млечного Пути. Теория гласит, что после возникновения протогалактики область «кипела», собирая газ и создавая звезды с низким содержанием металлов. Через миллиард лет возникшая галактика «закипела», лихорадочно рождая звезды, богатые металлами, в течение 2–3 миллиардов лет. Эти новые звезды были другими. Они следовали по более плоским орбитам. Когда галактика остыла, сформировался тонкий как бритва диск, заполненный новоиспечёнными звёздами (включая наше Солнце), движущимися по аккуратным круговым орбитам вокруг галактического центра.

1.5 миллиона звезд в наборе данных Чандры подтвердили эту временную шкалу. «Мы видим, что Млечный Путь впервые раскручивается, — объяснил он. «По сути, вы видите рождение диска галактики». Сейчас он и его коллеги используют полный набор данных о 30 миллионах звезд, чтобы получить еще более полное представление. «Выпуклость официально сбивает с толку на протяжении десятилетий», Уилл Кларксон, астроном из Мичиганского университета в Дирборне. «Это было хорошим открытием нового окна в эту ископаемую популяцию».