A csillagászok körülbelül 20 éve dolgoznak azon, hogy megtaláljanak egy ősi csillagcsoportot, amely galaxisunk dudorának gáz- és poranyaga, illetve fiatalabb csillagai közé keveredett. Ezek a „csillagfosszíliák” a kutatók feltevése szerint már a Tejútrendszer keletkezése előtt is léteztek, és ma is megkülönböztethetők jellegzetes összetételük és pályájuk alapján. A közelmúltig azonban csak néhány ilyen égitestet sikerült azonosítani.
Nemrégiben azonban egy adatintenzív gépi tanulást alkalmazó algoritmus segítségével sikerült egy egész csoport ilyen csillagot megtalálni, amivel az ősi égitestek jellegzetességei és sorsa is a figyelem középpontjába került. A felfedezéshez használt módszerek révén a kutatók immár új, a korábbinál részletesebb képet tudnak felvázolni a Tejútrendszer kialakulásáról és általában a koronggalaxisok keletkezésével kapcsolatos elképzelésekről.
Versengő elméletek
A csillagászok úgy vélik, hogy a Tejútrendszert időben megelőzte egy úgynevezett protogalaxis. Ez egy intenzív, kaotikus rendszer volt, amelyben fiatal, változatos pályájú csillagok keringtek. Ezek története elég messzire nyúlik vissza, és szorosan kapcsolódik az ősrobbanás teóriájához. Az ősrobbanás után sötét anyag gyűlt össze jelenlegi kozmikus térségünkben, és ez aztán magához vonzotta a közönséges anyagot. Ezután keletkeztek az első csillagok, de az sokáig nem volt világos, hogy ezek létezése után hogyan és mikor alakultak ki az első mostani csillagok. A legutóbbi időkig nem igazán volt jó elképzelésünk arról sem, hogyan nézhetett ki a protogalaxis, mondja Vedant Chandra, a Harvard Egyetem asztrofizikusa, az ősi csillagokkal kapcsolatos felfedezésekről beszámoló tanulmány egyik vezető szerzője.
A harmadik évezred elejére két galaktikus keletkezési elmélet kristályosodott ki, amelyek azonban elég ellentétes irányt mutattak. Az egyik szerint a protogalaxis maga hozta létre a Tejútrendszer első csillagait, a benne lévő gázból, amely csillagokká omlott össze. A másik elmélet szerint a protogalaxis más galaxisokat „rabolt ki”, csillagokat szakítva ki azokból és elszívva belőlük a sötét anyagot. A két lehetőség közti választáshoz a csillagászoknak azonosítaniuk kellett volna a Tejútrendszer legkorábbi csillagpopulációját.
A kutatások során több csillagjelöltet is találtak, de az is világos volt, hogy ha a belső keletkezés elmélete a helytálló, akkor egy sokkal nagyobb ősi populációnak is léteznie kell, amelyet azonban sokáig nem találtak.
A felfedezésre végül 2022-ben nyílt meg az addigi legjobb lehetőség, amikor az Európai Űrügynökség Gaia űrteleszkópjának harmadik teljes adatsorát, a DR3-at közzétették. A Gaia 10 évvel ezelőtt indult útjára a Tejútrendszer felmérésére, és minden egymást követő adatsora a korábbiaknál pontosabb pozícióméréseket tartalmaz. Fontos információ továbbá, hogy a DR3 színképeket is tartalmazott, vagyis arról is információkkal szolgált, hogy egy-egy csillag a fény különböző hullámhosszain mennyi fényt bocsát ki. Ezek a spektroszkópos mérések többek közt alkalmasak lehetnek a csillagok belsejében található kémiai elemek meghatározására.
A csillagok keletkezési idejének meghatározásához a kutatók egy sztenderd spektroszkópiai technikára támaszkodtak, amely a nehéz elemek jeleit keresi az összetételben. (A csillagászatban a nehéz a hidrogénnél és a héliumnál nehezebb elemeket jelenti.) Ahogy az univerzum öregszik, a hidrogénben gazdag csillagok szupernóvákká alakulva elpusztulnak, és olyan elemeket vetnek ki magukból, mint a szén és az oxigén. Ez az anyag aztán új, nehezebb elemeket tartalmazó csillagokká, más néven fémekben gazdag csillagokká áll össze. Az újabb keletkezésű csillagok tehát gazdagabbak fémekben, a fémben szegény csillagok pedig korábban, még a protogalaxis részeként keletkezhettek.
Fémdetektorok
Amikor azonban a szakértők megnézték a Gaia DR3 adatsorát, csalódottan tapasztalták, hogy a színképmérések túl elnagyoltak voltak ahhoz, hogy az egyes kémiai elemekhez tartozó csúcsokat ki lehessen mutatni. „Körülbelül 200 millió csillag színképadatait tették közzé, de ezek nagyon alacsony felbontású spektrumok voltak” – mondja Chandra.
Ezért a csapat egy gépi tanulásra képes algoritmust vetett be, hogy a zajos, alacsony felbontású spektrumokból kinyerje a nehezebb elemek jelenlétének jeleit. Az XGBoost nevű algoritmust használták, és más kutatásokból származó, jó minőségű spektrumadatokkal képezték ki a rendszert. Ennek a „betanításnak” köszönhetően az algoritmus képes volt felfedni a csillagok fémtartalmát pusztán a rossz minőségű Gaia-adatokban megfigyelhető ingadozások alapján. A csapat kétszer is ellenőrizte az algoritmus megállapításait, három másik független, sokkal jobb minőségű égboltfelmérés adataival vetve össze azokat, amelyek a Tejútrendszer három egyedi régiójából származtak, és szoros megfelelést találtak.
Az algoritmus működésével kapcsolatban a szakértők azt állapították meg, hogy a rendszer végső soron szinte kizárólag a csillagok kalcium- és magnéziumelnyelési vonalai alapján döntött egy-egy csillag fémességéről. Emellett korrigált egyes lehetséges hibaforrásokra is, például számításba vette azokat a kozmikus por- és gázcsomókat, amelyek a Föld és a Tejútrendszer közepe között találhatók. A jelek alakja módosul, ha sok por van a csillag és a távcső között, mondja Chandra, amit különösen fontos tekintetbe venni, hiszen a galaxis közepét vizsgálták, amely tele van porral.
A kutatócsoport végül 1,5 millió csillag elemzése alapján mintegy 18 ezer alacsony fémtartalmú korai csillagot azonosított a Tejútrendszer központi dudorában. Ez óriási számú populációt jelent a korábbiakhoz képest, hiszen egy évtizeddel ezelőtt még csak nagyjából 1000 ilyen csillagot ismertek a szakértők, mondja Melissa Ness, a Columbia Egyetem csillagásza. „Most végre sok ezer fémszegény csillagunk van. Ez egy hihetetlen adatsor, amivel tovább dolgozhatunk” – folytatja a szakértő.
A kutatók ugyanakkor még legalább egy kérdésre választ kerestek: merre tartottak a protogalaxis csillagai? A választ a Gaia DR3 egy másik típusú méréséből kapták meg: a csillagok látóirány szerinti sebességéből. Ennek a sebességnek az ismerete lehetővé tette az egyes csillagok pályájának meghatározását.
Az adatokból egy halót formáló, gömbölyded protogalaxis portréja rajzolódik ki, ahogy azt az elméleti szakemberek egy része várta is. Az idős, fémben szegény csillagok populációja egy 9000 fényév sugarú viszonylag apró, szűk gömbben keringett, amelyet a kutatócsoport tagjai a Tejútrendszer „szegény, öreg szívének” neveztek el.
Összességében az eredmények arra utalnak, hogy a protogalaxis nem lopott csillagokat más galaxisokból. Ha így lett volna, akkor a csillagok pályája a Tejútrendszeren túli régiók felé mutatna.
További érdekességek
1,5 millió Tejútrendszerben található csillag sebesség- és spektrometriás adatai birtokában Chandra és társai más kapcsolódó elméleteket is ellenőrizni kezdtek, hogy alá tudnak-e támasztani valamilyen másik feltevést is. És ennek során is találtak egy érdekes adalékot.
2022-ben két tanulmány is megjelent, amelyekben a Tejútrendszer korongjának keletkezési rendjét vázolták fel szerzőik. Az elmélet szerint a protogalaxis kialakulása után a térség takarékon égett: lassacskán egyre több gázt gyűjtött magába és fémben szegény csillagokat termelt. Egymilliárd év elteltével aztán a kialakuló galaxis „forrásnak indult”, és a következő 2–3 milliárd évben vadul ontotta magából a fémben gazdag csillagokat. Ezek az újabb csillagok azonban már mozgásra is mások voltak, mint az elsők. Laposabb pályát követtek, és ahogy a galaxis lenyugodott, egy pengevékony korong alakult ki, tele az újonnan keletkezett csillagokkal (köztük a mi Napunkkal), amelyek rendezett, körkörös pályán mozogtak a galaktikus központ körül.
Az adatsorban szereplő 1,5 millió csillag megerősítette ezt a menetrendet.
„Lényegében a galaxis korongjának születését látjuk az adatok között”
– mondja Chandra. A szakértő kollégáival jelenleg a teljes, 30 millió csillagot tartalmazó adatsort elemzi, hogy még átfogóbb képet kapjanak a Tejútrendszer kialakulásáról.
