Определено древнее звездное сердце Млечного Пути

На основе данных спутника Gaia исследователи MPIA определили древнюю звездную популяцию в центральных областях Млечного Пути. С помощью машинного обучения удалось определить металличность красных звезд-гигантов и оценить их возраст. Команда получила беспрецедентно большую выборку звезд с точной металличностью, состоящую из 2 миллионов красных гигантов во внутренней галактике.

Используя данные миссии ЕКА Gaia и применяя нейронную сеть, исследовательская группа из Института астриномии Макса Планка (MPIA) сумела определить старое звездное сердце Млечного Пути. Это звездное население, которое проживает в центральных областях Галактики и является свидетелем ее первоначального формирования.

Исследователи использовали машинное обучение для определения металличности двух миллионов гигантских звезд из самой внутренней области Млечного Пути. Обнаружение этих звезд, а также их свойства дают подтверждение космологическим симуляциям эволюции Галактики на протяжении всей истории Вселенной.

История галактики формируется в результате слияний и столкновений и определяется запасами водородного газа — сырья для создания новых звезд. Чтобы восстановить такую историю, необходимо объединить все более совершенные наблюдения с все более сложным моделированием. Наш собственный Млечный Путь играет в этом особую роль: это галактика, звезды которой мы можем рассмотреть лучше всего и наиболее подробно.

Очень металлическое население звезд

Основными строительными блоками галактики являются ее звезды. Для небольшого подмножества звезд, так называемых субгигантов, исследователи могут определить их возраст по светимости и температуре. В более общем случае, чтобы понять возраст звезды, можно использовать ее металличность, т.е. количество химических элементов тяжелее гелия, которые содержит ее атмосфера.

В целом, каждое поколение звезд наполняет межзвездный газ тяжелыми металлическими элементами, из которых формируется следующее поколение звезд. Поэтому каждое поколение будет иметь более высокую металличность, чем остальные.

Весной 2022 года исследователи MPIA Маошэн Сян и Ханс-Вальтер Рикс использовали данные со спутника Gaia и обзора LAMOST для определения возраста звезд в выборке из 250 000 субгигантов. На основе проведенного анализа астрономы смогли восстановить историю «юности» Млечного Пути 11 миллиардов лет назад, а также его последующей «взрослой жизни». Однако они заметили, что самые старые звезды в их выборке подростков уже имели поразительную металличность, примерно на 10 процентов превышающую металличность нашего Солнца. Очевидно, что до образования этих звезд должны были существовать предыдущие поколения, которые загрязнили межзвездную среду металлическими элементами.

В поисках древнего галактического сердца

Существование этих предыдущих поколений согласуется с тем, что предсказывали симуляторы космической истории. Поэтому Рикс начал поиск звезд, принадлежащих к древнему ядру Галактики, и воспользовался для этого выпуском данных Gaia Data Release 3 (DR3). Звездные спектры, содержащиеся в DR3, очень хорошего качества, однако спектральное разрешение низкое по своей конструкции. Чтобы получить надежные значения звездной металличности, астрономы решили сосредоточиться на красных гигантах.

Эти звезды примерно в сто раз ярче субгигантов и легко наблюдаются даже в центральных областях галактики. Кроме того, спектральные особенности, свидетельствующие об их металличности, очень очевидны и подходят для того типа анализа, который исследователи планировали провести с помощью машинного обучения. Нейронная сеть была обучена с использованием спектров Gaia, выбранных в качестве входных данных, для которых металличность уже была известна из обзора APOGEE.

Нейронная сеть смогла вывести точные и выверенные значения металличности даже для звезд, которые никогда ранее не изучались. Наконец, алгоритм был применен ко всему набору данных о красных гигантах в спектрах Gaia. Это позволило получить беспрецедентно большую выборку точной металличности, состоящую из 2 миллионов красных гигантов во внутренней галактике.

С помощью этой выборки было относительно легко определить сердце Млечного Пути: популяцию звезд с низкой металличностью, сосредоточенную в центре в пределах 30 000 световых лет в диаметре. Эти звезды дополняют более раннее исследование Сяна и Рикса о подростковом возрасте Млечного Пути. Они обладают нужной металличностью, чтобы произвести более бедные металлами звезды, которые позже сформировали галактический диск.