Các nhà thiên văn học đào lên những ngôi sao sinh ra dải ngân hà

Trong khoảng 20 năm, các nhà thiên văn học đã đấu tranh để tìm ra một nhóm sao cổ lẫn trong khí, bụi và những ngôi sao mới hơn trong phần phình ra của thiên hà chúng ta. Những ngôi sao “hóa thạch” này có trước Dải Ngân hà và lẽ ra phải được phân biệt rõ ràng bởi quỹ đạo và hóa học đặc biệt của chúng. Tuy nhiên, cho đến gần đây, chỉ một số lượng nhỏ trong số chúng đã được tìm thấy.

Giờ đây, một nỗ lực quyết tâm bằng cách sử dụng công nghệ máy học chuyên sâu về dữ liệu đã khai quật được một kho tàng về chúng, tập trung vào các tính năng và số phận của chúng. Các phương pháp được sử dụng trong khám phá của họ đã cho phép các nhà khoa học cập nhật hiểu biết của họ về sự hình thành của Dải Ngân hà và các thiên hà đĩa nói chung.

Lý thuyết cạnh tranh

Các nhà thiên văn học tin rằng Dải Ngân hà có trước một thứ gọi là tiền thiên hà — một nơi hung bạo, hỗn loạn chứa các ngôi sao trẻ với quỹ đạo hoang dã. Câu chuyện nguồn gốc của nó bắt đầu đủ đáng tin cậy. Sau vụ nổ Big Bang, vật chất tối kết tụ lại trong vùng không gian của chúng ta. Vật chất tối hút vật chất thông thường. Những làn sóng sao đầu tiên sau đó xuất hiện, nhưng làm thế nào những ngôi sao này có được ở đó thì không ai đoán được.

“Mọi người không có ý tưởng thực sự tốt về hình dạng của thiên hà nguyên sinh,” ông nói Vedant Chandra, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học Harvard và là một trong những tác giả chính của nghiên cứu bài báo gần đây chi tiết các khám phá ngôi sao cổ đại.

Đến những năm 2000, các nhà khoa học đã giải quyết hai lý thuyết hình thành. Hoặc là tiền thiên hà đã sinh ra những ngôi sao đầu tiên bên trong Dải Ngân hà, khi khí kết tụ lại thành sao, hoặc nó ăn thịt các thiên hà khác, xé toạc các ngôi sao và hút sạch vật chất tối. Để giải quyết câu hỏi, các nhà thiên văn học cần phải cô lập quần thể sao sớm nhất của Dải Ngân hà. Các nghiên cứu xác định ngôi sao ứng cử viên, nhưng nếu lý thuyết trong vườn ươm là đúng, thì một quần thể hóa thạch lớn hơn nhiều vẫn chưa được khám phá.

Cơ hội tìm thấy chúng đến vào năm 2022 khi Cơ quan Vũ trụ Châu Âu Kính viễn vọng không gian Gaia đã phát hành bộ dữ liệu đầy đủ thứ ba, được gọi là DR3. Gaia đã được phóng cách đây 10 năm để khảo sát Dải Ngân hà và mỗi lần phát hành dữ liệu liên tiếp đều bao gồm đo vị trí chính xác hơn so với các bản phát hành trước.

Điều quan trọng là DR3 cũng bao gồm quang phổ sao — phép đo độ sáng của một ngôi sao ở các bước sóng ánh sáng khác nhau. Các phép đo quang phổ này thường được sử dụng để kiểm tra các nguyên tố hóa học bên trong một ngôi sao.

Để xác định ngày sinh của các ngôi sao, nhóm nghiên cứu đã dựa vào kỹ thuật quang phổ tiêu chuẩn để tìm kiếm dấu hiệu của các nguyên tố nặng. (Trong thiên văn học, “nặng” có nghĩa là bất cứ thứ gì nặng hơn hydro hoặc heli.) Khi vũ trụ già đi, các ngôi sao giàu hydro phát nổ thành siêu tân tinh và chết đi, giải phóng các nguyên tố như carbon và oxy. Vật chất này sau đó kết hợp lại thành những ngôi sao mới, nguyên tố nặng hơn, còn được gọi là những ngôi sao giàu kim loại. Vì vậy, những ngôi sao gần đây hơn là những ngôi sao giàu kim loại và những ngôi sao nghèo kim loại phải bắt nguồn từ tiền thiên hà.

Máy dò kim loại

Tuy nhiên, khi nhóm nghiên cứu xem dữ liệu Gaia DR3, họ đã thất vọng khi phát hiện ra rằng các chỉ số của máy quang phổ quá rộng để có thể tiết lộ các đỉnh hóa học riêng lẻ. “Thông tin quang phổ của khoảng 200 triệu ngôi sao đã được công bố, nhưng đây là những quang phổ có độ phân giải rất thấp. Chandra nói: “Nếu bạn nhìn vào quang phổ thì đó chỉ là một loạt các chuyển động lắc lư.

Vì vậy, nhóm đã chuyển sang học máy để trích xuất tín hiệu của các nguyên tố nặng hơn từ quang phổ nhiễu, độ phân giải thấp. Họ đã sử dụng một thuật toán có sẵn có tên là XGBoost và huấn luyện nó bằng cách sử dụng dữ liệu quang phổ chất lượng cao từ các cuộc khảo sát khác. Với quá trình đào tạo này, thuật toán có thể tiết lộ tính chất kim loại của các ngôi sao chỉ dựa trên các chuyển động ngọ nguậy của Gaia chất lượng thấp. Khi nhóm kiểm tra lại các dự đoán của họ dựa trên dữ liệu được thu thập bởi ba cuộc khảo sát bầu trời chất lượng cao độc lập khác trong ba phần riêng biệt của Dải Ngân hà, họ đã tìm thấy sự nhất trí chặt chẽ.

Nhìn vào những bí mật bên trong của thuật toán, Chandra nhận thấy rằng nó quyết định mức độ phong phú nguyên tố nặng của một ngôi sao hầu như chỉ dựa trên các đường hấp thụ canxi và magiê của ngôi sao. Nó cũng sửa chữa các nguồn lỗi tiềm ẩn, chẳng hạn như đám bụi và khí vũ trụ dày đặc nằm giữa Trái đất và trung tâm Dải Ngân hà. Ông nói: “Hình dạng của những cái lắc lư đó sẽ thay đổi nếu có nhiều bụi trong tầm nhìn của ngôi sao. “Và điều đó rất quan trọng vì chúng tôi đang nghiên cứu trung tâm của thiên hà, nơi chứa đầy bụi.”

Nhóm nghiên cứu đã thu gọn quần thể 1.5 triệu ngôi sao xuống còn khoảng 18,000 ngôi sao sơ ​​khai có tính kim loại thấp nằm trong phần phình của Dải Ngân hà. “Một thập kỷ trước, tôi đã rất vui mừng khi có một mẫu gần 1,000 ngôi sao phình có tính kim loại thấp,” cho biết Melissa Ness, một nhà thiên văn học tại Đại học Columbia. “Chúng ta hiện đang ở trong một chế độ có hàng nghìn ngôi sao nghèo kim loại này. Đó là một bộ dữ liệu đáng kinh ngạc để làm việc.”

Các nhà nghiên cứu vẫn cần phải trả lời ít nhất một câu hỏi nữa: Các ngôi sao của thiên hà nguyên thủy đã đi về đâu? Câu trả lời đến từ một loại phép đo khác mới có trong bản phát hành Gaia DR3 — tốc độ di chuyển của các ngôi sao dọc theo đường ngắm của chúng ta. Biết được vận tốc này giúp khám phá quỹ đạo của mỗi ngôi sao.

Thứ nổi lên là bức chân dung của một tiền thiên hà hình vầng hào quang, như dự đoán của một số nhà lý thuyết. Quần thể các ngôi sao già cỗi, nghèo kim loại quay quanh một quả cầu nhỏ, chật hẹp với bán kính 9,000 năm ánh sáng, mà nhóm nghiên cứu gọi là “trái tim già cỗi tội nghiệp” của Dải Ngân hà.

Nhìn chung, các phát hiện cho thấy tiền thiên hà không đánh cắp các ngôi sao từ các thiên hà khác. Nếu đúng như vậy, quỹ đạo sao của chúng sẽ hướng tới các khu vực bên ngoài Dải Ngân hà.

Nhiều tiết lộ hơn

Với các phép đo vận tốc và quang phổ đã có trong tay cho 1.5 triệu ngôi sao trong Dải Ngân hà, Chandra hướng sự chú ý của mình đến các lý thuyết liên quan có thể được kiểm chứng. Một cái gần đây nổi bật.

Trong 2022, hai giấy tờ gợi ý về dòng thời gian cho sự hình thành đĩa của Dải Ngân hà. Giả thuyết cho rằng sau khi tiền thiên hà hình thành, khu vực này “đốt cháy”, thu khí và tạo ra những ngôi sao nghèo kim loại. Sau một tỷ năm, thiên hà mới nổi “đun sôi”, điên cuồng sinh ra những ngôi sao giàu kim loại trong 2 tỷ đến 3 tỷ năm. Những ngôi sao mới hơn này thì khác. Họ đi theo quỹ đạo phẳng hơn. Khi thiên hà nguội đi, một chiếc đĩa mỏng như dao cạo hình thành, chứa đầy những ngôi sao mới hình thành (bao gồm cả mặt trời của chúng ta) di chuyển theo những quỹ đạo hình tròn gọn gàng xung quanh trung tâm thiên hà.

1.5 triệu ngôi sao trong bộ dữ liệu của Chandra đã xác nhận dòng thời gian này. “Những gì chúng tôi đang quan sát là Dải Ngân hà lần đầu tiên quay tròn,” anh ấy giải thích. “Về cơ bản, bạn đang chứng kiến ​​sự ra đời của đĩa thiên hà.” Anh ấy và các đồng nghiệp của mình hiện đang sử dụng bộ dữ liệu đầy đủ 30 triệu ngôi sao để cung cấp một cái nhìn toàn diện hơn nữa. “Sự phình ra đã chính thức gây nhầm lẫn trong nhiều thập kỷ,” Will Clarkson, một nhà thiên văn học tại Đại học Michigan, Dearborn. “Đây là một cơ hội tốt để mở ra một cửa sổ mới cho quần thể hóa thạch này.”