นักดาราศาสตร์ขุดพบดวงดาวที่เกิดทางช้างเผือก

ประมาณ 20 ปีที่ผ่านมา นักดาราศาสตร์ได้ ต่อสู้ เพื่อค้นหากลุ่มดาวฤกษ์โบราณที่ปะปนอยู่กับก๊าซ ฝุ่น และดาวฤกษ์ใหม่กว่าในส่วนนูนของกาแลคซีของเรา ดาว "ฟอสซิล" เหล่านี้อยู่ก่อนหน้าทางช้างเผือกและควรมองเห็นได้ด้วยคุณสมบัติทางเคมีและวงโคจรที่โดดเด่น จนกระทั่งเมื่อเร็ว ๆ นี้มีเพียงไม่กี่คนเท่านั้นที่เคยพบ

ตอนนี้ ความพยายามอย่างแน่วแน่โดยใช้แมชชีนเลิร์นนิงที่ใช้ข้อมูลจำนวนมากได้ค้นพบขุมทรัพย์ของพวกเขา โดยดึงความสนใจไปที่คุณลักษณะและชะตากรรมของพวกเขา วิธีการที่ใช้ในการค้นพบทำให้นักวิทยาศาสตร์ปรับปรุงความเข้าใจเกี่ยวกับการก่อตัวของทางช้างเผือกและกาแล็กซี่ดิสก์โดยทั่วไป

ทฤษฎีการแข่งขัน

นักดาราศาสตร์เชื่อว่าทางช้างเผือกนำหน้าด้วยสิ่งที่เรียกว่าดาราจักรรุ่นก่อน ซึ่งเป็นสถานที่ที่มีความรุนแรงและวุ่นวายซึ่งมีดาวอายุน้อยที่มีวงโคจรที่ดุร้าย เรื่องราวต้นกำเนิดของมันเริ่มต้นอย่างน่าเชื่อถือเพียงพอ หลังจากบิกแบง สสารมืดรวมตัวกันในพื้นที่อวกาศของเรา สสารมืดดึงดูดสสารธรรมดา จากนั้นระลอกแรกของดาวก็เกิดขึ้น แต่ดาวเหล่านี้ไปอยู่ที่นั่นได้อย่างไรไม่มีใครเดาได้

“ผู้คนไม่มีความคิดที่ดีนักว่าดาราจักรรุ่นก่อนมีหน้าตาเป็นอย่างไร” กล่าว เวทมนต์จันทรานักฟิสิกส์ดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด และหนึ่งในผู้เขียนนำเรื่อง a กระดาษที่ผ่านมา รายละเอียดการค้นพบดาวโบราณ

ในช่วงปี 2000 นักวิทยาศาสตร์ได้ตั้งรกราก สองทฤษฎีการก่อตัว. กาแล็กซีต้นแบบให้กำเนิดดาวฤกษ์ดวงแรกของทางช้างเผือกภายใน เมื่อก๊าซรวมตัวกันเป็นดาวฤกษ์ หรือกาแล็กซีอื่นๆ ทำลายล้างดาวฤกษ์และดูดกลืนสสารมืด เพื่อตอบคำถามนี้ นักดาราศาสตร์จำเป็นต้องแยกประชากรดาวฤกษ์ยุคแรกสุดของทางช้างเผือก การศึกษาระบุ ดาวผู้สมัครแต่ถ้าทฤษฎีภายในเรือนเพาะชำถูกต้อง ประชากรซากดึกดำบรรพ์ที่ใหญ่กว่านั้นก็ยังไม่ถูกค้นพบ

โอกาสที่จะพบพวกมันมาถึงในปี 2022 เมื่อองค์การอวกาศยุโรปของ กล้องโทรทรรศน์อวกาศไกอา เผยแพร่ข้อมูลชุดที่สามที่เรียกว่า DR3. ไกอาเปิดตัวเมื่อ 10 ปีที่แล้วเพื่อสำรวจทางช้างเผือก และมีการเผยแพร่ข้อมูลแต่ละรายการที่ต่อเนื่องกัน การวัดตำแหน่งที่แม่นยำยิ่งขึ้น กว่ารุ่นก่อนๆ

ที่สำคัญ DR3 ยังรวมสเปกตรัมของดาวฤกษ์ไว้ด้วย ซึ่งเป็นการวัดความสว่างของดาวฤกษ์ที่ความยาวคลื่นแสงต่างๆ กัน การวัดสเปกโตรเมตรีเหล่านี้มักใช้เพื่อตรวจสอบองค์ประกอบทางเคมีภายในดาวฤกษ์

ในการกำหนดวันเดือนปีเกิดของดาวฤกษ์ ทีมงานอาศัยเทคนิคสเปกโทรสโกปีแบบมาตรฐานที่มองหาลายเซ็นของธาตุหนัก (ในทางดาราศาสตร์ "หนัก" หมายถึงอะไรก็ตามที่มีมวลมากกว่าไฮโดรเจนหรือฮีเลียม) เมื่อเอกภพมีอายุมากขึ้น ดาวฤกษ์ที่อุดมด้วยไฮโดรเจนจะระเบิดเป็นซูเปอร์โนวาและตาย พ่นธาตุต่างๆ เช่น คาร์บอนและออกซิเจนออกมา จากนั้นสสารนี้จะรวมกันเป็นดาวดวงใหม่ซึ่งมีองค์ประกอบหนักกว่า หรือที่เรียกว่าดาวที่มีธาตุโลหะมาก ดังนั้นดาวฤกษ์ที่เพิ่งเกิดขึ้นใหม่จึงมีธาตุโลหะมาก และดาวฤกษ์ที่มีธาตุโลหะน้อยจะต้องมีต้นกำเนิดในกาแล็กซีต้นแบบ

เครื่องตรวจจับโลหะ

อย่างไรก็ตาม เมื่อทีมเห็นข้อมูล Gaia DR3 พวกเขารู้สึกผิดหวังที่พบว่าค่าสเปกโตรมิเตอร์ที่อ่านได้นั้นกว้างเกินไปที่จะเปิดเผยค่าพีคของสารเคมีแต่ละชนิด “ข้อมูลสเปกตรัมของดาวประมาณ 200 ล้านดวงถูกเปิดเผยออกมา แต่ข้อมูลเหล่านี้เป็นสเปกตรัมที่มีความละเอียดต่ำมาก ถ้าคุณดูที่สเปกตรัม มันก็แค่กระดิกไปมา” จันทรากล่าว

ทีมงานจึงหันมาใช้แมชชีนเลิร์นนิงเพื่อแยกสัญญาณขององค์ประกอบที่หนักกว่าจากสเปกตรัมความละเอียดต่ำที่มีเสียงดัง พวกเขาใช้อัลกอริธึมที่มีอยู่ทั่วไปที่เรียกว่า XGBoost และฝึกฝนโดยใช้ข้อมูลสเปกตรัมคุณภาพสูงจากการสำรวจอื่นๆ ด้วยการฝึกอบรมนี้ อัลกอริทึมสามารถเปิดเผยความเป็นโลหะของดวงดาวโดยอาศัยการกระดิกไกอาคุณภาพต่ำเท่านั้น เมื่อทีมงานตรวจสอบการคาดการณ์ซ้ำอีกครั้งกับข้อมูลที่รวบรวมโดยการสำรวจท้องฟ้าอิสระคุณภาพสูงอีกสามรายการในสามส่วนที่ไม่ซ้ำกันของทางช้างเผือก พวกเขาพบข้อตกลงที่แน่นอน

เมื่อมองเข้าไปในความลับภายในของอัลกอริทึม จันทราพบว่ามันตัดสินใจเลือกองค์ประกอบหนักของดาวฤกษ์โดยอิงจากเส้นการดูดซึมแคลเซียมและแมกนีเซียมของดาวเกือบทั้งหมด นอกจากนี้ยังแก้ไขแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้น เช่น การพันกันหนาแน่นของฝุ่นและก๊าซคอสมิกที่อยู่ระหว่างโลกกับใจกลางทางช้างเผือก “รูปร่างของการกระดิกเหล่านี้จะเปลี่ยนไปหากมีฝุ่นจำนวนมากในแนวสายตาของดาวฤกษ์” เขากล่าว “และนั่นเป็นสิ่งสำคัญเพราะเรากำลังศึกษาใจกลางกาแลคซีซึ่งเต็มไปด้วยฝุ่น”

ทีมงานได้ลดจำนวนดาวฤกษ์ 1.5 ล้านดวงลงเหลือดาวฤกษ์ในยุคแรกเริ่มประมาณ 18,000 ดวงที่มีความเป็นโลหะต่ำอยู่ในส่วนนูนของทางช้างเผือก “เมื่อทศวรรษที่แล้ว ฉันรู้สึกตื่นเต้นที่ได้ตัวอย่างดาวนูนที่มีความเป็นโลหะต่ำเกือบ 1,000 ดวง” กล่าว เมลิสซ่า เนสนักดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย “ตอนนี้เราอยู่ในระบอบการปกครองที่มีดาวที่ยากจนเหล่านี้หลายพันดวง นั่นเป็นชุดข้อมูลที่น่าทึ่งในการทำงานด้วย”

นักวิจัยยังต้องตอบคำถามอีกอย่างน้อยหนึ่งข้อ: ดาวฤกษ์ของกาแล็กซีกำเนิดกำลังมุ่งหน้าไปที่ใด คำตอบมาจากการวัดอีกประเภทหนึ่งที่เพิ่งมีในรุ่น Gaia DR3 นั่นคือความเร็วที่ดวงดาวเคลื่อนที่ไปตามแนวสายตาของเรา การรู้ความเร็วนี้ทำให้สามารถค้นพบวงโคจรของดาวแต่ละดวงได้

สิ่งที่เกิดขึ้นคือภาพเหมือนของกาแล็กซีรุ่นก่อนที่มีรูปทรงรัศมี ตามที่นักทฤษฎีบางคนคาดการณ์ไว้ ประชากรของดาวอายุมากที่ยากจนในโลหะโคจรอยู่ในทรงกลมขนาดเล็กที่มีรัศมี 9,000 ปีแสง ซึ่งทีมงานขนานนามว่าเป็น "หัวใจชราผู้น่าสงสาร" ของทางช้างเผือก

โดยรวมแล้ว การค้นพบนี้ชี้ให้เห็นว่าดาราจักรรุ่นก่อนไม่ได้ขโมยดาวฤกษ์จากดาราจักรอื่น หากเป็นเช่นนั้น วงโคจรของดาวฤกษ์ของพวกมันจะมุ่งตรงไปยังบริเวณที่เลยทางช้างเผือกออกไป

การเปิดเผยเพิ่มเติม

ด้วยการวัดความเร็วและสเปกโตรเมทรีที่มีอยู่ในมือแล้วสำหรับดาวทางช้างเผือก 1.5 ล้านดวง จันทราจึงละสายตาไปยังทฤษฎีที่เกี่ยวข้องซึ่งสามารถตรวจสอบได้ หนึ่งอันล่าสุดโดดเด่น

ใน 2022, สอง เอกสาร บอกเป็นนัยถึงไทม์ไลน์การก่อตัวของดิสก์ทางช้างเผือก ทฤษฎีกล่าวว่าหลังจากดาราจักรกำเนิดเกิดขึ้น ภูมิภาคนี้ "เดือดปุดๆ" รวบรวมก๊าซและสร้างดาวฤกษ์ที่ไร้ธาตุโลหะ หลังจากผ่านไปหนึ่งพันล้านปี กาแล็กซีที่เกิดขึ้นใหม่ก็ "เดือด" อย่างเมามัน และให้กำเนิดดาวฤกษ์ที่อุดมด้วยโลหะเป็นเวลา 2 พันล้านถึง 3 พันล้านปี ดาวดวงใหม่เหล่านี้แตกต่างออกไป พวกเขาติดตามวงโคจรที่ประจบสอพลอ เมื่อกาแลคซีเย็นลง ดิสก์ที่บางเฉียบก็ก่อตัวขึ้น เต็มไปด้วยดาวที่เพิ่งสร้างใหม่ (รวมถึงดวงอาทิตย์ของเราด้วย) ที่โคจรเป็นวงกลมเป็นระเบียบรอบใจกลางกาแลคซี

ดวงดาว 1.5 ล้านดวงในชุดข้อมูลของจันทรายืนยันไทม์ไลน์นี้ “สิ่งที่เรากำลังมองหาคือทางช้างเผือกหมุนขึ้นเป็นครั้งแรก” เขาอธิบาย “คุณกำลังเห็นการกำเนิดของดิสก์ของกาแลคซีโดยพื้นฐานแล้ว” ตอนนี้เขาและเพื่อนร่วมงานกำลังใช้ชุดข้อมูลดาวฤกษ์ 30 ล้านดวงทั้งหมดเพื่อให้ภาพดูครอบคลุมยิ่งขึ้น “ส่วนนูนสร้างความสับสนอย่างเป็นทางการมานานหลายทศวรรษ” วิล คลาร์กสันนักดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยมิชิแกน เมืองเดียร์บอร์น "นี่เป็นการเปิดหน้าต่างใหม่ที่ดีสู่ประชากรฟอสซิลนี้"