Группе астрономов MPIA удалось идентифицировать популяцию звёзд, оставшихся от самой ранней истории нашей родной галактики. Популяция звёзд, находящихся в центре нашей галактики, получила название сердце Млечного Пути.
Для этого подвига “галактической археологии” исследователи проанализировали данные из самого последнего выпуска миссии “Гайя” (ЕКА), используя нейронную сеть для определения металличности двух миллионов ярких гигантских звёзд во внутренней области нашей галактики. Обнаружение этих звёзд, а также их наблюдаемые свойства обеспечивают долгожданное подтверждение космологических симуляций самой ранней истории нашей родной галактики.
Млечный Путь, постепенно формировался на протяжении почти всей истории Вселенной, которая охватывает 13 миллиардов лет. За последние десятилетия астрономам удалось реконструировать разные эпохи галактической истории так же, как археологи реконструировали бы историю города: у некоторых зданий есть точные даты постройки.
Для других использование более примитивных строительных материалов или более старых стилей строительства подразумевает, что они существовали раньше, как и ситуация, когда остатки находятся под другими (и, следовательно, более новыми) постройками. И последнее, но не менее важное значение имеют пространственные модели: во многих городах будет центральный старый город, окружённый районами, которые явно более новые.
Для галактик, и в частности для нашей родной галактики, космическая археология идёт по очень похожему пути. Основными строительными блоками галактики являются ее звёзды. Для небольшого подмножества звёзд астрономы могут точно определить, сколько им лет. Например, это верно для так называемых субгигантов – короткой фазы звёздной эволюции, когда яркость и температура звезды могут быть использованы для определения её возраста.
Определение возраста по химии
В более общем плане почти для всех звёзд существует “стиль построения”, который позволяет вынести общий вердикт о возрасте: так называемая металличность звезды, определяемая как количество химических элементов тяжелее гелия, содержащихся в атмосфере звезды. Такие элементы, которые астрономы называют “металлами”, производятся внутри звёзд в результате ядерного синтеза и высвобождаются незадолго до или в конце жизни звезды – некоторые, когда рассеивается атмосфера звезды с малой массой, а некоторые, когда звезда с большой массой взрывается как сверхновая. Таким образом, каждое поколение звёзд “засевает” межзвёздное пространство газом, из которого формируется следующее поколение звёзд. Именно поэтому, каждое новое поколение будет иметь более высокую металличность, чем предыдущее.
Что касается крупномасштабных структур, то тут, как и в случае с городом, имеет значение пространственное распределение. Однако, учитывая тот факт, что галактика менее статична, чем город – здания обычно не двигаются, в отличие от звёзд – модели движения также предоставляют важную информацию. Звёзды Млечного Пути могут быть ограничены центральными областями или они могут быть частью упорядоченного вращательного движения в тонком или толстом диске Млечного Пути. Или же они могут стать частью хаотического беспорядка орбит расширенного гало звёзд нашей галактики, в том числе очень эксцентричных, которые постоянно проходят через внутренние и самые внешние области.
Как изменяются большие галактики?
Там, где города могут пережить строительный бум или периоды интенсивной реконструкции, история галактик может похвастаться слияниями и столкновениями, а также огромным количеством свежего газообразного водорода, который притекает в галактики в течение миллиардов лет и формирует новые звёзды. История любой галактики начинается с более мелких протогалактик: сверхплотных областей, образовавшихся вскоре после Большого взрыва, где газовые облака коллапсируют, образуя звёзды.
Таким образом, протогалактики сталкиваются и сливаются, образуя более крупные галактики. Добавьте к этим более крупным объектам ещё одну протогалактику, а именно протогалактику, летящую достаточно далеко от центра (большой орбитальный угловой момент), и вы можете получить звёздный диск. Слияние двух достаточно больших галактик приведёт к тому, что их газовые резервуары нагреются, образовав сложную эллиптическую галактику, сочетающую недостаток нового звездообразования со сложной структурой орбит существующих старых звёзд.
Реконструкция такого рода истории – это вопрос сочетания всё более информативных наблюдений со всё более сложным моделированием. И хотя общая картина того, что происходит, когда галактики формируются и развиваются, существует уже несколько десятилетий, конкретика появилась сравнительно недавно – во многом благодаря исследованиям, которые дали более качественные и полные данные.
Особую роль в этом играет наша родная галактика Млечный Путь. По определению, это та галактика, звёзды которой мы можем исследовать лучше всего и наиболее детально. Галактическая археология, определяемая как изучение истории нашей родной галактики, позволяет нам не только реконструировать части нашей более широкой истории, но и узнать кое-что об эволюции галактики в целом (местная космология).
Подростковые годы Млечного Пути
Этот конкретный эпизод галактической археологии начался с реконструкции, опубликованной в исследовании, проведённом весной 2022 года. Исследователи MPIA Маошен Сян и Ханс-Вальтер Рикс использовали данные со спутника “Гайя” и спектрального обзора LAMOST, чтобы определить возраст звёзд в беспрецедентной выборке из 250 000 так называемых субгигантов. Благодаря этому анализу астрономы смогли реконструировать последствия захватывающего подросткового периода Млечного Пути 11 миллиардов лет назад и его последующей более спокойной (или скучной) взрослой жизни.
Тогда астрономы заметили, что самые старые звёзды в их подростковой выборке уже имели значительную металличность, примерно на 10% больше, чем металличность нашего Солнца. Ясно, что до образования этих звёзд должны были существовать ещё более ранние поколения звёзд, которые загрязняли межзвёздную среду металлами.
Древнее ядро Млечного Пути
На самом деле существование этих более ранних поколений соответствовало предсказаниям моделирования космической истории. И, кроме того, эти симуляции предсказывали, где можно найти выживших представителей этих более ранних поколений. В частности, в этих симуляциях первоначальное формирование того, что позже стало нашим Млечным Путём, включало в себя три или четыре протогалактики, которые сформировались в непосредственной близости, а затем слились друг с другом, их звёзды расположились в виде сравнительно компактного ядра, не более нескольких тысяч световых лет в диаметре.
Более поздние добавления более мелких галактик привели к созданию различных дисковых структур и гало. Но, согласно моделированию, можно было ожидать, что часть этого первоначального ядра переживёт эти более поздние слияния и останется относительно невредимым. Должна быть возможность найти звёзды из первоначального компактного ядра, древнего сердца Млечного Пути, в центральных областях нашей галактики и вблизи них даже сегодня, миллиарды лет спустя.
В поисках старых звёзд
В какой-то момент Рикс заинтересовался способами обнаружения звёзд в древнем ядре нашей галактики. Но он знал, что для получения более чем нескольких десятков таких звёзд ему потребуется новая стратегия наблюдения. Телескоп LAMOST, применявшийся в предыдущем исследовании, из-за своего расположения на Земле и невозможности вести наблюдения в летние месяцы из-за муссонов вообще не может наблюдать основные области Млечного Пути. А субгиганты слишком тусклые, чтобы их можно было наблюдать на расстоянии около 7000 световых лет, что делает центральные области нашей галактики совершенно недосягаемыми.
Напомним, что в дополнение к тем редким звёздам, для которых мы можем определить конкретный возраст, есть гораздо более общий индикатор звёздной металличности – различные стили строения, которые позволяют сортировать звёзды на более старые и более молодые. К счастью, в июне 2022 года вышел третий выпуск данных миссии “Гайя” (DR3). С 2014 года “Гайя” измеряет высокоточные параметры положения и движения, включая расстояния, для более чем миллиарда звёзд, совершив революцию в галактической астрономии. DR3 был первым выпуском данных, включавшим некоторые из фактических спектров, которые наблюдала “Гайя”: спектры для 220 миллионов астрономических объектов.
Спектры – это то, где астрономы находят информацию о химическом составе атмосферы звезды, в том числе о её металличности. Но в то время как спектры “Гайя” имеют высокое качество, и их непревзойденное количество предоставляет нам огромное количество данных, спектральное разрешение – насколько точно свет объекта делится по длине волны на элементарные цвета радуги – сравнительно низкое. Извлечение надёжных значений металличности из данных “Гайя” потребует дополнительного анализа, и это то, что Ханс-Вальтер Рикс и Рене Андре, исследователь в MPIA, решили изучить в проекте вместе со студентом Ведантом Чандрой из Гарвардского университета.
Поскольку они знали, что их анализ необходим для исследования основных областей Млечного Пути, трое астрономов специально изучили красные гигантские звёзды в данных “Гайя”. Типичные красные гиганты примерно в сто раз ярче субгигантов, и их легко наблюдать даже в отдалённых областях ядра нашей галактики. У этих звёзд также есть дополнительное преимущество, заключающееся в том, что спектральные особенности, которые кодируют их металличность, сравнительно заметны, что делает их особенно подходящими для анализа.
Машинное обучение
Для самого анализа астрономы обратились к методам машинного обучения. К настоящему времени многие люди уже сталкивались с приложениями этой инновационной техники: софт вроде DALL-E, генерирующий подходящие изображения из простых текстовых описаний, или ChatGPT, способный более-менее грамотно отвечать на вопросы и выполнять письменные запросы. Ключевым свойством машинного обучения является то, что стратегии решения не программируются явно. Вместо этого в основе алгоритма лежит так называемая нейронная сеть, внешне похожая на то, как нейроны ведут себя в человеческом мозгу. Затем эту нейронную сеть обучают: задают комбинации задач и их решений, а связи между входом и выходом регулируют так, чтобы, по крайней мере, для обучающего набора, сеть выдавала правильный результат при заданном входе.
В этом конкретном случае нейронная сеть была обучена с использованием выбранных спектров “Гайя” в качестве входных данных, а именно: спектров “Гайя”, для которых правильный ответ, металличность, уже был известен из другого обзора (APOGEE). Внутренняя структура сети адаптирована таким образом, чтобы, по крайней мере, для обучающей выборки, она могла воспроизводить правильные металличности.
Общая проблема использования машинного обучения в науке заключается в том, что по самой своей природе нейронная сеть представляет собой “чёрный ящик” – её внутренняя структура сформирована в процессе обучения и не находится под непосредственным контролем учёных.
Сердце Млечного Пути
С этим образцом оказалось сравнительно легко идентифицировать древнее сердце галактики Млечный Путь – популяцию звёзд, которую Рикс назвал “бедным старым сердцем”, учитывая их низкую металличность, предполагаемый возраст и центральное расположение. На карте неба эти звёзды кажутся сосредоточенными вокруг галактического центра. Расстояния, удобно предоставленные “Гайя” (с помощью метода параллакса), позволяют провести трёхмерную реконструкцию, которая показывает, что эти звёзды находятся в пределах сравнительно небольшой области вокруг центра. Примерно 30 000 световых лет в поперечнике.
Рассматриваемые звёзды чётко дополняют более раннее исследование Сяна и Рикса о подростковом возрасте Млечного Пути: они обладают как раз той металличностью, которая привела к появлению самых бедных металлами звёзд, которые позже сформировали толстый диск Млечного Пути. Поскольку это более раннее исследование предоставило хронологию формирования толстого диска, это делает древнее сердце Млечного Пути старше примерно 12,5 миллиардов лет.
