天文学家挖掘出诞生银河系的恒星

大约 20 年来，天文学家已经 挣扎 寻找与我们银河系凸起的气体、尘埃和较新恒星混合的古老恒星群。 这些“化石”恒星出现在银河系之前，应该可以通过它们独特的化学成分和轨道来辨别。 然而直到最近，它们中的一小部分才被发现。

现在，使用数据密集型机器学习的坚定努力已经发掘出其中的宝库，使人们关注它们的特征和命运。 在他们的发现中使用的方法使科学家们能够更新他们对银河系形成和一般盘状星系的理解。

竞争理论

天文学家认为，在银河系之前存在一种叫做原星系的东西——一个充满暴力、混乱的地方，其中包含有着狂野轨道的年轻恒星。 它的起源故事开始时足够可信。 大爆炸之后，暗物质在我们的太空区域聚集。 暗物质吸引普通物质。 然后出现了第一波星星，但是这些星星是如何到达那里的是任何人的猜测。

“人们对原始星系的样子并没有真正的了解，”说 韦丹·钱德拉，哈佛大学的天体物理学家，也是一项研究的主要作者之一 最近的一篇文章 详细介绍古代恒星的发现。

到 2000 年代，科学家们已经确定了 两种形成理论. 要么原始星系在内部诞生了银河系的第一批恒星，因为气体聚结成恒星，要么它蚕食了其他星系，撕裂了恒星并吸走了暗物质。 为了解决这个问题，天文学家需要分离出银河系最早的恒星群。 确定的研究 候选星，但如果内部培育理论是正确的，那么还有更多的化石种群未被发现。

找到它们的机会在 2022 年到来，当时欧洲航天局 盖亚太空望远镜 发布了第三套完整数据，称为 DR3. 盖亚于 10 年前发射，用于调查银河系，每次连续发布的数据都包括 更准确的位置测量 比以前的版本。

重要的是，DR3 还包括恒星光谱——测量一颗恒星在不同波长的光下的亮度。 这些光谱测量通常用于检查恒星内部的化学元素。

为了确定恒星的诞生日期，该团队依靠一种标准的光谱技术来寻找重元素的特征。 （在天文学中，“重”是指任何比氢或氦更大的东西。）随着宇宙的老化，富含氢的恒星爆炸成超新星并死亡，喷出碳和氧等元素。 然后，这种物质结合成新的、元素更重的恒星，也被称为富含金属的恒星。 所以最近的恒星富含金属，而缺乏金属的恒星一定起源于原星系。

金属探测器

然而，当团队看到 Gaia DR3 数据时，他们失望地发现光谱仪读数太宽，无法显示单个化学峰。 “发布了大约 200 亿颗恒星的光谱信息，但这些都是非常低分辨率的光谱。 如果你看一下频谱，它只是一堆摆动，”钱德拉说。

因此，该团队转向机器学习，从嘈杂的低分辨率光谱中提取较重元素的信号。 他们使用了一种名为 XGBoost 的现成算法，并使用来自其他调查的高质量光谱数据对其进行了训练。 通过这种训练，该算法能够仅基于低质量的盖亚摆动来揭示恒星的金属丰度。 当团队根据银河系三个独特部分的其他三个独立高质量天空调查收集的数据仔细检查他们的预测时，他们发现了紧密的一致。

研究算法的内部秘密，钱德拉发现它几乎完全根据恒星的钙和镁吸收线来决定恒星的重元素丰度。 它还纠正了潜在的错误来源，例如位于地球和银河系中心之间的密集缠结的宇宙尘埃和气体。 “如果恒星的视线中有大量灰尘，这些摆动的形状就会发生变化，”他说。 “这很重要，因为我们正在研究充满尘埃的银河系中心。”

该团队将位于银河系凸起处的 1.5 万颗恒星减少到约 18,000 颗金属丰度较低的早期恒星。 “十年前，我很高兴能得到近 1,000 颗低金属膨胀恒星的样本，”他说 梅丽莎尼斯，哥伦比亚大学天文学家。 “我们现在处于拥有成千上万颗贫金属恒星的状态。 这是一个令人难以置信的数据集。”

研究人员至少还需要回答一个问题：原星系的恒星会去向何方？ 答案来自 Gaia DR3 版本中新提供的另一种测量类型——恒星沿我们视线移动的速度。 知道这个速度就可以揭示每颗恒星的轨道。

正如一些理论家所预料的那样，出现的是一个光环状的原始星系的肖像。 年老、缺乏金属的恒星围绕在一个半径为 9,000 光年的小而紧密的球体中运行，该团队将其称为银河系的“可怜的老心脏”。

总的来说，这些发现表明原星系并没有从其他星系偷走恒星。 如果有的话，它们的恒星轨道将朝向银河系以外的区域。

更多启示

有了 1.5 万颗银河系恒星的速度和光谱测量数据，钱德拉将目光投向了可以验证的相关理论。 最近的一个脱颖而出。

2022年， 二 文件 暗示了银河系圆盘形成的时间表。 该理论认为，在原星系出现后，该区域“沸腾”，聚集气体并形成贫金属恒星。 2 亿年后，新出现的星系“沸腾”，在 3 亿至 XNUMX 亿年的时间里疯狂地孕育出富含金属的恒星。 这些较新的恒星是不同的。 他们遵循更平坦的轨道。 随着星系冷却下来，形成了一个极薄的圆盘，里面充满了新诞生的恒星（包括我们的太阳），这些恒星在围绕银河中心的整齐的圆形轨道上运动。

钱德拉数据集中的 1.5 万颗恒星证实了这一时间线。 “我们看到的是银河系第一次旋转起来，”他解释道。 “你基本上看到了银河系圆盘的诞生。” 他和他的同事现在正在使用完整的 30 万颗恒星数据集来提供更全面的外观。 “这个凸起几十年来一直令人困惑，” 威尔·克拉克森，密歇根大学迪尔伯恩分校的天文学家。 “这很好地打开了了解这个化石种群的新窗口。”