Astronomer gräver upp stjärnorna som födde Vintergatan

I cirka 20 år har astronomer gjort det kämpade för att hitta en uråldrig grupp stjärnor blandade med gas, stoft och nyare stjärnor i vår galaxs utbuktning. Dessa "fossila" stjärnor föregick Vintergatan och borde ha kunnat urskiljas genom sin distinkta kemi och banor. Ändå tills nyligen hade bara ett litet antal av dem någonsin hittats.

Nu har en målmedveten ansträngning med hjälp av dataintensiv maskininlärning avslöjat en hel del av dem, vilket sätter fokus på deras egenskaper och öden. Metoderna som använts i deras upptäckt har gjort det möjligt för forskare att uppdatera sin förståelse av Vintergatans bildning och av diskgalaxer i allmänhet.

Konkurrerande teorier

Astronomer tror att Vintergatan föregicks av något som kallas en proto-galax - en våldsam, kaotisk plats som innehåller unga stjärnor med vilda banor. Dess ursprungshistoria börjar trovärdigt nog. Efter Big Bang smälte mörk materia samman i vår region i rymden. Den mörka materien drog till sig vanlig materia. De första vågorna av stjärnor uppstod då, men hur dessa stjärnor kom dit var någons gissning.

"Folk hade inte en riktigt bra uppfattning om hur proto-galaxen såg ut," sa Vedant Chandra, en astrofysiker vid Harvard University och en av huvudförfattarna på en nyligen papper som beskriver de antika stjärnupptäcktena.

På 2000-talet hade forskarna slagit sig fast två bildningsteorier. Antingen födde proto-galaxen Vintergatans första stjärnor internt, när gas smälte samman till stjärnor, eller så kannibaliserade den andra galaxer, slet ut stjärnor och sugde bort mörk materia. För att lösa frågan skulle astronomer behöva isolera Vintergatans tidigaste stjärnpopulation. Studier identifierade kandidatstjärnor, men om intern-barnkammare teorin var korrekt, en mycket större fossil population låg oupptäckt.

Möjligheten att hitta dem kom 2022 när European Space Agency's Gaia rymdteleskop släppte sin tredje fullständiga uppsättning data, kallad DR3. Gaia lanserades för 10 år sedan för att kartlägga Vintergatan, och varje efterföljande datarelease har inkluderat mer exakta positionsmätningar än tidigare releaser.

Viktigt är att DR3 också inkluderade stjärnspektra - mätningar av hur ljus en stjärna är vid olika våglängder av ljus. Dessa spektrometrimätningar används vanligtvis för att undersöka de kemiska elementen inuti en stjärna.

För att bestämma stjärnans födelsedatum förlitade sig teamet på en standardspektroskopisk teknik som letar efter signaturer av tunga element. (Inom astronomi betyder "tung" allt mer massivt än väte eller helium.) När universum åldras detonerar väterika stjärnor till supernovor och dör och spyr ut element som kol och syre. Detta material smälter sedan samman till nya stjärnor med tyngre element, även kända som metallrika stjärnor. Så nyare stjärnor är metallrika, och metallfattiga stjärnor måste ha sitt ursprung i proto-galaxen.

Metalldetektorer

När teamet såg Gaia DR3-data blev de dock besvikna över att upptäcka att spektrometeravläsningarna var för breda för att avslöja individuella kemiska toppar. "Spektralinformationen för cirka 200 miljoner stjärnor släpptes, men dessa är mycket lågupplösta spektra. Om du tittar på spektrumet är det bara ett gäng vickningar, sa Chandra.

Så teamet vände sig till maskininlärning för att extrahera signalerna från tyngre element från de bullriga, lågupplösta spektra. De använde en färdig algoritm som heter XGBoost och tränade den med hjälp av högkvalitativa spektraldata från andra undersökningar. Med denna träning kunde algoritmen avslöja stjärnornas metallicitet enbart baserat på Gaia vickar av låg kvalitet. När teamet dubbelkontrollerade sina förutsägelser mot data som samlats in av tre andra oberoende högkvalitativa himmelsundersökningar i tre unika sektioner av Vintergatan, fann de nära överensstämmelse.

Genom att titta på algoritmens inre hemligheter fann Chandra att den bestämde en stjärnas överflöd av tunga element nästan uteslutande baserat på stjärnans kalcium- och magnesiumabsorptionslinjer. Den korrigerade också för potentiella felkällor, som de täta härvorna av kosmiskt damm och gas som ligger mellan jorden och Vintergatans centrum. "Formen på dessa vickor kommer att förändras om det finns mycket damm i siktlinjen till stjärnan," sa han. "Och det är viktigt eftersom vi studerar mitten av galaxen, som är fylld med damm."

Teamet minskade en befolkning på 1.5 miljoner stjärnor till cirka 18,000 1,000 tidiga stjärnor med låg metallicitet som ligger i Vintergatans utbuktning. "För ett decennium sedan var jag stolt över att ha ett urval av nästan XNUMX XNUMX lågmetallicitetsstjärnor," sa Melissa Ness, en astronom vid Columbia University. "Vi är nu i en regim med många tusen av dessa metallfattiga stjärnor. Det är en otrolig datamängd att arbeta med.”

Forskarna behövde fortfarande svara på minst en fråga till: Vart var proto-galaxens stjärnor på väg? Svaret kom från en annan typ av mätning som nyligen finns tillgänglig i Gaia DR3-utgåvan - hastigheten med vilken stjärnorna rör sig längs vår synlinje. Att känna till denna hastighet gjorde det möjligt att avslöja varje stjärnas bana.

Det som framkom var ett porträtt av en haloformad proto-galax, som vissa teoretiker förutsåg. Befolkningen av äldre, metallfattiga stjärnor kretsade i en liten, snäv sfär med en radie på 9,000 XNUMX ljusår, som teamet kallade Vintergatans "fattiga gamla hjärta".

Sammantaget tyder resultaten på att proto-galaxen inte stal stjärnor från andra galaxer. Om det hade gjort det skulle deras stjärnbanor vara på väg mot regioner bortom Vintergatan.

Fler uppenbarelser

Med hastighets- och spektrometrimätningarna redan i hand för 1.5 miljoner Vintergatans stjärnor, kastade Chandra blicken på relaterade teorier som kunde kontrolleras. En nyligen stack ut.

2022, två papper antydde en tidslinje för Vintergatans skivbildning. Teorin säger att efter att proto-galaxen uppstod, "sjudde" regionen, samlade gas och skapade metallfattiga stjärnor. Efter en miljard år "kokade den framväxande galaxen" och födde frenetiskt metallrika stjärnor i 2 till 3 miljarder år. Dessa nyare stjärnor var annorlunda. De följde plattare banor. När galaxen svalnade bildades en rakbladstunn skiva, fylld med de nypräglade stjärnorna (inklusive vår sol) som rörde sig i snygga cirkulära banor runt det galaktiska centrumet.

De 1.5 miljoner stjärnorna i Chandras datauppsättning bekräftade denna tidslinje. "Vad vi tittar på är Vintergatan som snurrar upp för första gången," förklarade han. "Du ser i huvudsak födelsen av galaxens skiva." Han och hans kollegor använder nu hela datauppsättningen på 30 miljoner stjärnor för att ge ett ännu mer heltäckande utseende. "Utbuktningen har varit officiellt förvirrande i decennier," Will Clarkson, en astronom vid University of Michigan, Dearborn. "Det här har varit en bra öppning av ett nytt fönster till denna fossila population."