Astronomi odkrijejo zvezde, ki so rodile Rimsko cesto

Že približno 20 let so astronomi boril najti starodavno skupino zvezd, pomešano s plinom, prahom in novejšimi zvezdami izbokline naše galaksije. Te "fosilne" zvezde so bile pred Mlečno cesto in bi jih bilo treba prepoznati po značilni kemiji in orbitah. Vendar so jih do nedavnega našli le majhno število.

Zdaj je odločno prizadevanje z uporabo podatkovno intenzivnega strojnega učenja odkrilo njihovo množico in izpostavilo njihove značilnosti in usodo. Metode, uporabljene pri njihovem odkritju, so znanstvenikom omogočile posodobitev njihovega razumevanja nastanka Rimske ceste in diskastih galaksij na splošno.

Konkurenčne teorije

Astronomi verjamejo, da je pred Mlečno cesto obstajalo nekaj, kar se imenuje proto-galaksija – nasilno, kaotično mesto, ki vsebuje mlade zvezde z divjimi orbitami. Njegova zgodba o izvoru se začne dovolj verodostojno. Po velikem poku se je v našem delu vesolja združila temna snov. Temna snov je pritegnila običajno snov. Nato so se pojavili prvi valovi zvezd, a kdo je ugibal, kako so te zvezde prišle tja.

"Ljudje niso imeli zares dobre predstave o tem, kako je izgledala protogalaksija," je dejal Vedant Chandra, astrofizik na univerzi Harvard in eden od vodilnih avtorjev na a nedavni dokument s podrobnostmi o starodavnih odkritjih zvezd.

Do leta 2000 so se znanstveniki ustalili dve tvorbeni teoriji. Bodisi je protogalaksija rodila prve zvezde Mlečne ceste znotraj sebe, ko se je plin združil v zvezde, ali pa je kanibalizirala druge galaksije, iztrgala zvezde in izsesala temno snov. Da bi rešili vprašanje, bi morali astronomi izolirati najzgodnejšo zvezdno populacijo Mlečne ceste. Ugotovljene študije kandidatske zvezde, toda če je bila teorija o notranjih jaslih pravilna, je veliko večja fosilna populacija ležala neodkrita.

Priložnost, da jih najdemo, je prišla leta 2022, ko je Evropska vesoljska agencija Vesoljski teleskop Gaia izdal svoj tretji celoten nabor podatkov, imenovan DR3. Gaia je bila lansirana pred 10 leti, da bi raziskala Mlečno cesto, in vsaka naslednja objava podatkov je vključevala natančnejše meritve položaja kot prejšnje izdaje.

Pomembno je, da je DR3 vključeval tudi zvezdne spektre - meritve, kako svetla je zvezda pri različnih valovnih dolžinah svetlobe. Te spektrometrične meritve se običajno uporabljajo za preučevanje kemičnih elementov v zvezdi.

Za določitev rojstnih datumov zvezd se je ekipa zanašala na standardno spektroskopsko tehniko, ki išče podpise težkih elementov. (V astronomiji "težko" pomeni vse, kar je masivnejše od vodika ali helija.) Ko se vesolje stara, zvezde, bogate z vodikom, detonirajo v supernove in umrejo, pri čemer izpuščajo elemente, kot sta ogljik in kisik. Ta material se nato združi v nove zvezde s težjimi elementi, znane tudi kot zvezde, bogate s kovinami. Torej so novejše zvezde bogate s kovinami, zvezde, ki so revne s kovinami, pa so morale izvirati iz pragalaksije.

Detektorji kovin

Ko je ekipa videla podatke Gaia DR3, pa je bila razočarana, ko je ugotovila, da so bili odčitki spektrometra preširoki, da bi razkrili posamezne kemijske vrhove. »Spektralne informacije za približno 200 milijonov zvezd so bile objavljene, vendar so to spektri zelo nizke ločljivosti. Če pogledate spekter, je to le kup miganja,« je dejal Chandra.

Zato se je ekipa obrnila na strojno učenje, da bi iz hrupnih spektrov nizke ločljivosti izluščila signale težjih elementov. Uporabili so standardni algoritem, imenovan XGBoost, in ga usposobili z uporabo visokokakovostnih spektralnih podatkov iz drugih raziskav. S tem usposabljanjem je algoritem uspel razkriti kovinskost zvezd, ki je temeljila izključno na nizkokakovostnih miganjih Gaie. Ko je ekipa dvojno preverila svoje napovedi glede na podatke, zbrane s tremi drugimi neodvisnimi visokokakovostnimi raziskavami neba v treh edinstvenih odsekih Mlečne ceste, so ugotovili tesno strinjanje.

Ko je pogledal v notranje skrivnosti algoritma, je Chandra ugotovil, da je številčnost težkih elementov v zvezdi določil skoraj izključno na podlagi zvezdnih absorpcijskih linij kalcija in magnezija. Popravil je tudi morebitne vire napak, kot so gosti zapleti kozmičnega prahu in plina, ki ležijo med Zemljo in središčem Rimske ceste. "Oblika teh gibkov se bo spremenila, če bo v vidnem polju zvezde veliko prahu," je dejal. "In to je pomembno, ker preučujemo središče galaksije, ki je polno prahu."

Ekipa je zmanjšala populacijo 1.5 milijona zvezd na približno 18,000 zgodnjih zvezd z nizko kovinskostjo, ki se nahajajo v izboklini Rimske ceste. "Pred desetletjem sem bil navdušen nad vzorcem skoraj 1,000 izbočenih zvezd z nizko kovinsko vsebnostjo," je dejal Melissa Ness, astronom na univerzi Columbia. »Zdaj smo v režimu, ko imamo na tisoče teh kovinsko revnih zvezd. To je neverjeten nabor podatkov za delo.«

Raziskovalci so morali odgovoriti še na vsaj eno vprašanje: Kam so bile namenjene zvezde proto-galaksije? Odgovor je prišel iz druge vrste meritev, ki je bila na novo na voljo v izdaji Gaia DR3 – hitrosti, s katero se zvezde premikajo vzdolž našega vidnega polja. Poznavanje te hitrosti je omogočilo odkritje orbite vsake zvezde.

Kar se je pojavilo, je bil portret protogalaksije v obliki haloja, kot so predvidevali nekateri teoretiki. Populacija starejših zvezd, revnih s kovinami, je krožila v majhni, ozki krogli s polmerom 9,000 svetlobnih let, ki jo je ekipa poimenovala "ubogo staro srce" Rimske ceste.

Na splošno ugotovitve kažejo, da proto-galaksija ni ukradla zvezd iz drugih galaksij. Če bi bilo, bi bile njihove zvezdne orbite usmerjene proti regijam onstran Mlečne ceste.

Več razodetij

Z meritvami hitrosti in spektrometrije, ki so že v rokah za 1.5 milijona zvezd Rimske ceste, je Chandra vrgel pogled na sorodne teorije, ki bi jih bilo mogoče preveriti. Ena nedavna je izstopala.

V 2022, dva članki namignil na časovnico za nastanek diska Rimske ceste. Teorija pravi, da je po nastanku proto-galaksije območje "vrelo", zbiralo pline in ustvarjalo kovinsko revne zvezde. Po milijardi let je nastajajoča galaksija »zavrela« in mrzlično rojevala s kovinami bogate zvezde 2 do 3 milijarde let. Te novejše zvezde so bile drugačne. Sledili so položnejšim orbitam. Ko se je galaksija ohlajala, se je oblikoval kot britev tanek disk, napolnjen z novonastalimi zvezdami (vključno z našim soncem), ki so se gibale v urejenih krožnih orbitah okoli galaktičnega središča.

1.5 milijona zvezd v Chandrinem nizu podatkov je potrdilo to časovnico. "To, kar gledamo, je Rimska cesta, ki se prvič vrti," je pojasnil. "V bistvu vidite rojstvo diska galaksije." On in njegovi kolegi zdaj uporabljajo celoten nabor podatkov s 30 milijoni zvezdic, da bi zagotovili še bolj celovit pogled. "Izboklina uradno povzroča zmedo že desetletja," Will Clarkson, astronom na Univerzi Michigan v Dearbornu. "To je bilo dobro odprtje novega okna v to fosilno populacijo."