Астрономи розкопують зірки, які породили Чумацький Шлях

Близько 20 років астрономи щосили щоб знайти давню групу зірок, змішаних із газом, пилом і новими зірками балджа нашої галактики. Ці «викопні» зірки передували Чумацькому Шляху, і їх слід було розрізнити за їхнім характерним хімічним складом і орбітами. Проте донедавна лише невелика кількість із них була знайдена.

Тепер цілеспрямовані зусилля з використанням машинного навчання з інтенсивним використанням даних відкопали їх безліч, зосередивши увагу на їхніх особливостях і долі. Методи, використані під час відкриття, дозволили вченим оновити своє розуміння формування Чумацького Шляху та дискових галактик загалом.

Конкуруючі теорії

Астрономи вважають, що Чумацькому Шляху передувало щось, що називається протогалактикою — жорстоке, хаотичне місце, що містить молоді зірки з дикими орбітами. Його історія походження починається досить достовірно. Після Великого вибуху темна матерія об'єдналася в нашій області космосу. Темна матерія притягувала звичайну матерію. Тоді виникли перші хвилі зірок, але як ці зірки туди потрапили, залишається тільки здогадуватися.

«Люди не мали справжнього уявлення про те, як виглядала протогалактика», — сказав Ведант Чандра, астрофізик Гарвардського університету та один із провідних авторів a недавній документ детально описуючи відкриття стародавніх зірок.

До 2000-х років вчені зупинилися на цьому дві теорії формування. Або протогалактика породила перші зірки Чумацького Шляху всередині, коли газ об’єднався в зірки, або вона канібалізувала інші галактики, вириваючи зірки та відсмоктуючи темну матерію. Щоб вирішити це питання, астрономам потрібно буде виділити найдавнішу популяцію зірок Чумацького Шляху. Виявлені дослідження кандидат зірки, але якщо теорія внутрішнього розплідника була правильною, набагато більша популяція викопних решток лежала невиявленою.

Можливість знайти їх з’явилася у 2022 році, коли Європейське космічне агентство Космічний телескоп Gaia випустив третій повний набір даних під назвою DR3. Gaia була запущена 10 років тому для дослідження Чумацького Шляху, і кожен наступний випуск даних включав більш точні вимірювання положення ніж попередні випуски.

Важливо, що DR3 також містив зоряні спектри — вимірювання того, наскільки яскрава зірка на різних довжинах хвиль світла. Ці спектрометричні вимірювання зазвичай використовуються для дослідження хімічних елементів усередині зірки.

Щоб визначити дати народження зірок, команда покладалася на стандартну спектроскопічну техніку, яка шукає сигнатури важких елементів. (В астрономії «важкий» означає все, що масивніше за водень або гелій.) У міру старіння Всесвіту багаті на водень зірки вибухають у наднові та гинуть, викидаючи такі елементи, як вуглець і кисень. Потім цей матеріал об’єднується в нові зірки з більш важкими елементами, також відомі як зірки, багаті металами. Таким чином, новіші зірки багаті на метали, а зірки з бідним вмістом, мабуть, виникли в протогалактиці.

Металошукачі

Проте, коли команда побачила дані Gaia DR3, вони були розчаровані, виявивши, що показання спектрометра були занадто широкими, щоб виявити окремі хімічні піки. «Була опублікована спектральна інформація про близько 200 мільйонів зірок, але це спектри з дуже низькою роздільною здатністю. Якщо ви подивитеся на спектр, це просто купа хитань», — сказав Чандра.

Тож команда звернулася до машинного навчання, щоб виділити сигнали важчих елементів із зашумлених спектрів із низькою роздільною здатністю. Вони використали готовий алгоритм під назвою XGBoost і навчили його, використовуючи високоякісні спектральні дані з інших досліджень. Завдяки такому навчанню алгоритм зміг виявити металевість зірок виключно на підставі низькоякісних ворушінь Gaia. Коли команда двічі перевірила свої прогнози з даними, зібраними трьома іншими незалежними високоякісними дослідженнями неба на трьох унікальних ділянках Чумацького Шляху, вони виявили щільну збіг.

Досліджуючи внутрішні таємниці алгоритму, Чандра виявив, що він вирішує, чи велика кількість важких елементів у зірці базується майже виключно на лініях поглинання зіркою кальцію та магнію. Він також виправив потенційні джерела помилок, такі як щільні клубки космічного пилу та газу, які лежать між Землею та центром Чумацького Шляху. «Форма цих ворушінь зміниться, якщо в зоні видимості зірки буде багато пилу», — сказав він. «І це важливо, тому що ми вивчаємо центр галактики, який наповнений пилом».

Команда скоротила популяцію з 1.5 мільйона зірок до приблизно 18,000 1,000 ранніх зірок з низькою металевістю, розташованих у балджі Чумацького Шляху. «Десять років тому я був у захваті від того, що отримав зразок із майже XNUMX опуклих зірок з низьким вмістом металу», — сказав Меліса Несс, астроном Колумбійського університету. «Зараз ми перебуваємо в режимі багатьох тисяч цих бідних на метал зірок. Це неймовірний набір даних для роботи».

Дослідникам ще потрібно було відповісти принаймні на ще одне питання: куди прямували зірки протогалактики? Відповідь прийшла з іншого типу вимірювання, нещодавно доступного у випуску Gaia DR3 — швидкості, з якою зірки рухаються вздовж нашого поля зору. Знання цієї швидкості дозволило розкрити орбіту кожної зірки.

Те, що вийшло, було портретом протогалактики у формі гало, як передбачалося деякими теоретиками. Популяція літніх зірок з бідним вмістом металу обертається в маленькій тісній сфері з радіусом 9,000 світлових років, яку команда назвала «бідним старим серцем» Чумацького Шляху.

Загалом отримані дані свідчать про те, що протогалактика не викрадала зірок з інших галактик. Якби це було так, їхні зоряні орбіти були б спрямовані до регіонів за межами Чумацького Шляху.

Більше одкровень

Маючи в руках вимірювання швидкості та спектрометрії 1.5 мільйона зірок Чумацького Шляху, Чандра поглянув на пов’язані теорії, які можна перевірити. Один нещодавній виділявся.

У 2022, два документи натякнув на часову шкалу формування диска Чумацького Шляху. Згідно з теорією, після виникнення протогалактики регіон «кипів», збираючи газ і створюючи зірки з бідним вмістом металу. Через мільярд років галактика, що виникла, «закипіла», шалено народжуючи багаті металом зірки протягом 2–3 мільярдів років. Ці нові зірки були іншими. Вони рухалися по більш плоских орбітах. Коли галактика охолола, утворився тонкий, як бритва, диск, наповнений новоспеченими зірками (включаючи наше Сонце), які рухалися по чітких кругових орбітах навколо галактичного центру.

1.5 мільйона зірок у наборі даних Чандри підтвердили цю шкалу часу. «Те, на що ми дивимося, — це Чумацький Шлях, який обертається вперше», — пояснив він. «Ви фактично бачите народження диска галактики». Зараз він і його колеги використовують повний набір даних із 30 мільйонів зірок, щоб отримати ще більш повний вигляд. «Офіційна опуклість вводить в оману протягом десятиліть» Вілл Кларксон, астроном Мічиганського університету, Дірборн. «Це було гарним відкриттям нового вікна в цю популяцію викопних решток».