Un grupo de astrónomos del MPIA ha logrado identificar el “pobre viejo corazón de la Vía Láctea”, una población de estrellas que quedaron de la historia más antigua de nuestra galaxia natal, que reside en las regiones centrales de nuestra galaxia.
Para esta hazaña de “arqueología galáctica”, los investigadores analizaron datos del lanzamiento más reciente de la Misión Gaia de la ESA, utilizando una red neuronal para extraer metalicidades de dos millones de estrellas gigantes brillantes en la región interior de nuestra galaxia. La detección de estas estrellas, pero también de sus propiedades observadas, proporciona una corroboración bienvenida para las simulaciones cosmológicas de la historia más antigua de nuestra galaxia natal.
Nuestra galaxia natal, la Vía Láctea, se formó gradualmente durante casi toda la historia del universo, que abarca 13 mil millones de años. Durante las últimas décadas, los astrónomos han logrado reconstruir diferentes épocas de la historia galáctica de la misma manera que los arqueólogos reconstruirían la historia de una ciudad: algunos edificios vienen con fechas explícitas de construcción.
Para otros, el uso de materiales de construcción más primitivos o estilos de construcción más antiguos implica que han llegado antes, al igual que la situación en la que se encuentran restos debajo de otras estructuras (y, por lo tanto, más nuevas). Por último, pero no menos importante, los patrones espaciales son importantes: para muchas ciudades, habrá un casco antiguo central rodeado de distritos que son claramente más nuevos.
Para las galaxias, y en particular para nuestra galaxia de origen, la arqueología cósmica procede en líneas muy similares. Los componentes básicos de una galaxia son sus estrellas. Para un pequeño subconjunto de estrellas, los astrónomos pueden deducir con precisión la edad que tienen. Por ejemplo, esto es cierto para los llamados subgigantes, una breve fase de evolución estelar donde el brillo y la temperatura de una estrella se pueden usar para deducir su edad.
Estimar la edad a partir de la química
De manera más general, para casi todas las estrellas, existe un “estilo de construcción” que permite un veredicto general sobre la edad: la llamada metalicidad de una estrella, definida como la cantidad de elementos químicos más pesados que el helio que contiene la atmósfera de la estrella. Tales elementos, que los astrónomos llaman “metales”, se producen dentro de las estrellas a través de la fusión nuclear y se liberan cerca o al final de la vida de una estrella, algunos cuando la atmósfera de una estrella de baja masa se dispersa, los elementos más pesados más violentamente cuando una estrella de gran masa. explota como una supernova. De esta manera, cada generación de estrellas “sembra” el gas interestelar a partir del cual se forma la próxima generación de estrellas y, por lo general, cada generación tendrá una metalicidad mayor que el resto.
En cuanto a las estructuras de mayor escala, al igual que en una ciudad, la distribución espacial es importante. Pero dado que una galaxia es menos estática que una ciudad (los edificios no suelen moverse, mientras que las estrellas sí), los patrones de movimiento también codifican información importante. Las estrellas de la Vía Láctea pueden estar confinadas a las regiones centrales, o pueden ser parte de un movimiento de rotación ordenado en el disco delgado o grueso de la Vía Láctea. O bien, pueden formar parte del caótico revoltijo de órbitas del extenso halo de estrellas de nuestra galaxia, incluidas las muy excéntricas, que se precipitan repetidamente a través de las regiones internas y externas.
Cómo crecen las galaxias grandes con el tiempo
Donde las ciudades pueden sufrir auges de construcción o períodos de remodelación intensiva, la historia de las galaxias está determinada por fusiones y colisiones, así como por las grandes cantidades de gas de hidrógeno fresco que fluyen hacia las galaxias durante miles de millones de años, la materia prima para que una galaxia haga nuevos. estrellas. La historia de una galaxia comienza con protogalaxias más pequeñas: regiones demasiado densas poco después del Big Bang, donde las nubes de gas colapsan para formar estrellas.
Como tal, las protogalaxias chocan y se fusionan, forman galaxias más grandes. Agregue otra protogalaxia a estos objetos algo más grandes, a saber, una protogalaxia que vuele lo suficientemente fuera del centro (“gran momento angular orbital”), y puede terminar con un disco de estrellas. Fusionar dos galaxias lo suficientemente grandes (“fusión importante”) y sus depósitos de gas se calentarán, formando una galaxia elíptica complicada que combina una escasez de formación de nuevas estrellas con un patrón complejo de órbitas para las estrellas más antiguas existentes.
Reconstruir este tipo de historia es cuestión de combinar observaciones cada vez más informativas con simulaciones cada vez más sofisticadas. Y si bien la imagen general de lo que sucede a medida que las galaxias se forman y evolucionan ha existido durante varias décadas, los detalles solo han surgido relativamente recientemente, gracias en gran parte a las encuestas que han arrojado datos mejores y más completos.
Nuestra galaxia natal, la Vía Láctea, juega un papel especial en esto. Por definición, esta es la galaxia cuyas estrellas podemos examinar mejor y de forma más detallada. La arqueología galáctica, definida como el estudio de la historia de nuestra galaxia natal, no solo nos permite reconstruir partes de nuestra propia historia más amplia, sino también aprender algo sobre la evolución de las galaxias en general (“cosmología local”).
¿Qué sucedió antes de los emocionantes años de adolescencia de la Vía Láctea?
Este episodio particular de arqueología galáctica comenzó con una reconstrucción publicada en la primavera de 2022: los investigadores de MPIA, Maosheng Xiang y Hans-Walter Rix, utilizaron datos del satélite Gaia de la ESA y del estudio espectral LAMOST para determinar las edades de las estrellas en una muestra sin precedentes de 250.000 de los llamados subgigantes. A partir de este análisis, los astrónomos pudieron reconstruir las consecuencias de los emocionantes años de adolescencia de la Vía Láctea hace 11.000 millones de años y su posterior adultez más asentada (o aburrida).
(Los años de la adolescencia coincidieron con la última fusión significativa de otra galaxia, llamada Gaia Encelado/Salchicha, cuyos restos se encontraron en 2018, con la Vía Láctea. Desencadenó una fase de formación estelar intensiva y condujo a un disco de estrellas comparativamente grueso que conocemos. puede ver hoy La edad adulta consistió en una entrada moderada de gas hidrógeno, que se asentó en el disco delgado extendido de nuestra galaxia, con la formación lenta pero continua de nuevas estrellas durante miles de millones de años.)
Lo que los astrónomos notaron entonces fue que las estrellas más antiguas de su muestra adolescente ya tenían una metalicidad considerable, alrededor del 10% de la metalicidad de nuestro sol. Claramente, antes de que se formaran esas estrellas, debe haber habido incluso generaciones anteriores de estrellas que contaminaron el medio interestelar con metales.
Lo que nos dicen las simulaciones sobre el antiguo núcleo de la Vía Láctea
De hecho, la existencia de esas generaciones anteriores estaba en línea con las predicciones de las simulaciones de la historia cósmica. Y además, esas simulaciones predijeron dónde podrían encontrarse razonablemente los representantes sobrevivientes de esas generaciones anteriores. Específicamente, en estas simulaciones, la formación inicial de lo que luego se convirtió en nuestra Vía Láctea involucró a tres o cuatro protogalaxias que se habían formado muy cerca y luego se fusionaron entre sí, sus estrellas se asentaron como un núcleo comparativamente compacto, no más que un pocos miles de años luz de diámetro.
Las adiciones posteriores de galaxias más pequeñas conducirían a la creación de varias estructuras de disco y el halo. Pero según las simulaciones, se podría esperar que parte de ese núcleo inicial sobreviviera relativamente ileso a estos desarrollos posteriores. Debería ser posible encontrar estrellas del núcleo compacto inicial, el antiguo corazón de la Vía Láctea, en y cerca de las regiones centrales de nuestra galaxia incluso hoy, miles de millones de años después.
En busca de antiguas estrellas centrales
En este punto, Rix se interesó en formas de encontrar estrellas en el antiguo núcleo de nuestra galaxia. Pero sabía que para encontrar más de una docena de estrellas de este tipo, necesitaría una nueva estrategia de observación. El telescopio LAMOST utilizado en el estudio anterior, debido a su ubicación en la Tierra y su incapacidad para observar durante los meses del monzón en verano, no puede observar las regiones centrales de la Vía Láctea en absoluto. Y los subgigantes, como la sonda de elección anterior, son demasiado tenues para ser observables más allá de distancias de unos 7.000 años luz, lo que pone las regiones centrales de nuestra galaxia fuera de nuestro alcance.
Recuerde que además de esas estrellas raras en las que podemos determinar edades específicas, existe un indicador mucho más general de la metalicidad estelar: los “estilos de construcción variables” que permiten clasificar las estrellas en más viejas y más jóvenes. Afortunadamente, en junio de 2022 llegó el Data Release 3 (DR3) de la misión Gaia de la ESA. Desde 2014, Gaia ha estado midiendo parámetros de posición y movimiento de alta precisión, incluidas distancias, para más de mil millones de estrellas, revolucionando (entre otros subcampos) la astronomía galáctica. DR3 fue la primera publicación de datos que incluyó algunos de los espectros reales que Gaia había observado: espectros de 220 millones de objetos astronómicos.
Gigantes rojas de Gaia
Los espectros son donde los astrónomos encuentran información sobre la composición química de la atmósfera de una estrella, incluida la metalicidad. Pero mientras que los espectros de Gaia son de alta calidad, y hay un número inigualable de ellos, la resolución espectral (cuán finamente la luz de un objeto se divide por longitud de onda en los colores elementales del arco iris) es comparativamente baja por diseño. Extraer valores de metalicidad confiables de los datos de Gaia requeriría un análisis adicional, y esto es lo que Hans-Walter Rix y René Andrae, investigador de Gaia en MPIA, abordaron en un proyecto con su estudiante visitante de verano Vedant Chandra de la Universidad de Harvard.
Como sabían que su análisis necesitaba llegar a las regiones centrales de la Vía Láctea, los tres astrónomos observaron específicamente las estrellas gigantes rojas en la muestra de Gaia. Las gigantes rojas típicas son unas cien veces más brillantes que las subgigantes y son fácilmente observables incluso en las regiones distantes del núcleo de nuestra galaxia. Estas estrellas también tienen la ventaja añadida de que las características espectrales que codifican su metalicidad son comparativamente llamativas, lo que las hace particularmente adecuadas para el tipo de análisis que los astrónomos estaban planeando.
Extracción de metalicidades con aprendizaje automático
Para el análisis en sí, los astrónomos recurrieron a métodos de aprendizaje automático. A estas alturas, muchas personas habrán encontrado aplicaciones de esta técnica innovadora: software como DALL-E que genera imágenes adecuadas a partir de descripciones textuales simples, o ChatGPT que puede responder preguntas de manera más o menos competente y cumplir con las solicitudes de escritura. La propiedad clave del aprendizaje automático es que las estrategias de solución no se programan explícitamente. En cambio, en el centro del algoritmo se encuentra la llamada red neuronal, con similitudes superficiales con la forma en que se organizan las neuronas en el cerebro humano. Luego, esa red neuronal se entrena: combinaciones dadas de tareas y sus soluciones, y las conexiones entre la entrada y la salida se ajustan de modo que, al menos para el conjunto de entrenamiento, la red produzca la salida correcta dada una entrada específica.
En este caso específico, la red neuronal se entrenó utilizando espectros de Gaia seleccionados como entrada, específicamente: espectros de Gaia para los cuales la respuesta correcta, la metalicidad, ya se conocía de otra encuesta (APOGEE, observaciones espectrales de alta resolución como parte del Sloan Estudio Digital del Cielo [SDSS]). La estructura interna de la red se adaptó para que, al menos para el conjunto de entrenamiento, pudiera reproducir las metalicidades correctas.
Metalicidades confiables para 2 millones de gigantes brillantes
Un desafío general en el uso del aprendizaje automático en la ciencia es que, por su propia naturaleza, la red neuronal es una “caja negra”: su estructura interna ha sido formada por el proceso de capacitación y no está bajo el control directo de los científicos. Por eso, para empezar, Andrae, Chandra y Rix entrenaron su red neuronal solo con la mitad de los datos de APOGEE. En un segundo paso, el algoritmo se configuró para demostrar su valía frente al resto de los datos de APOGEE, con resultados espectaculares: la red neuronal pudo deducir metalicidades precisas y precisas incluso para estrellas que nunca antes había encontrado.
Ahora que los investigadores no solo habían entrenado su red neuronal, sino que también se habían asegurado de que pudiera obtener resultados precisos para los espectros que no había encontrado durante su entrenamiento, los investigadores aplicaron el algoritmo a su conjunto completo de datos de espectros de Gaia de la gigante roja. Una vez que obtuvieron los resultados, los investigadores tuvieron acceso a una muestra de metalicidades precisas de un tamaño sin precedentes, que constaba de 2 millones de gigantes brillantes en el interior de la galaxia.
Mapeo del antiguo corazón de la Vía Láctea
Con esa muestra, resultó comparativamente fácil identificar el antiguo corazón de la galaxia de la Vía Láctea, una población de estrellas que Rix ha denominado el “pobre viejo corazón”, dada su baja metalicidad, su vejez inferida y su ubicación central. En un mapa del cielo, estas estrellas parecen estar concentradas alrededor del centro galáctico. Las distancias proporcionadas convenientemente por Gaia (a través del método de paralaje) permiten una reconstrucción en 3D que muestra esas estrellas confinadas dentro de una región comparativamente pequeña alrededor del centro, de aproximadamente 30.000 años luz de diámetro.
Las estrellas en cuestión complementan perfectamente el estudio anterior de Xiang y Rix sobre los años de adolescencia de la Vía Láctea: tienen la metalicidad justa para haber dado a luz a las estrellas más pobres en metal que, más tarde, formaron el disco grueso de la Vía Láctea. Dado que ese estudio anterior proporcionó una cronología para la formación de discos gruesos, esto hace que el antiguo corazón de la Vía Láctea tenga más de 12.500 millones de años.
Corroboración de la química
Para el pequeño subconjunto de objetos para los que están disponibles los espectros de APOGEE, es posible ir un paso más allá: estos espectros producen propiedades adicionales de las estrellas de este subconjunto, específicamente la abundancia de elementos como oxígeno, silicio y neón. Esos elementos se pueden obtener agregando sucesivamente partículas alfa (núcleos de helio-4) a los núcleos existentes en un proceso llamado “mejora alfa”. Su presencia en tales cantidades indica que las primeras estrellas obtuvieron sus metales de un entorno en el que se produjeron elementos más pesados en escalas de tiempo comparativamente cortas a través de las explosiones de supernova de estrellas masivas.
Esto es mucho más consistente con que estas estrellas se formaron directamente después de que las primeras protogalaxias se fusionaron para formar el núcleo inicial de la Vía Láctea, en lugar de haber estado presentes en las galaxias enanas que formaron el núcleo inicial de la Vía Láctea o que se fusionaron con el núcleo inicial de la Vía Láctea. Vía Láctea después. Constituye otra corroboración más de lo que las simulaciones cosmológicas tienen que decir sobre la historia más antigua de nuestra galaxia natal.
¿Un camino para encontrar las galaxias progenitoras de la Vía Láctea?
Si bien la información obtenida de la visión global de Gaia es innovadora al demostrar la existencia continua del “pobre viejo corazón” de nuestra Vía Láctea, ese descubrimiento inmediatamente hace que los astrónomos quieran aprender más: ¿Se pueden obtener espectros más detallados para muchos más o incluso para todos? esas estrellas, que permiten un análisis más detallado de su composición química? ¿Mostrarán todos ellos una mejora alfa, consistente con su formación en el núcleo inicial de la Vía Láctea? Los espectros de seguimiento tomados como parte de la encuesta SDSS-V lanzada recientemente o la próxima encuesta 4MOST, en las que MPIA es socio, prometen permitir que el grupo obtenga la información necesaria para responder estas preguntas clave.
Si las cosas van excepcionalmente bien, los datos adicionales podrían incluso permitir a los investigadores identificar qué estrellas en la región central pertenecen a cuál de las galaxias progenitoras de la Vía Láctea: para una estrella más vieja, como las del pobre corazón viejo, los datos adicionales sobre química composición y temperatura permite una estimación fiable de la luminosidad de la estrella. En comparación con el brillo de esa estrella en el cielo, se puede deducir la distancia de la estrella: cuanto más lejos esté una estrella, más tenue nos aparecerá. Para las estrellas comparativamente distantes en cuestión, los valores de distancia obtenidos de esta manera son considerablemente más precisos que los resultados de las mediciones de paralaje de Gaia.
La combinación de la posición de una estrella en el cielo y su distancia nos da la ubicación tridimensional de la estrella dentro de la Vía Láctea. La información sobre el movimiento de las estrellas hacia nosotros o alejándose de nosotros, medida por el desplazamiento Doppler de sus líneas espectrales, combinada con sus movimientos aparentes en el cielo permite la reconstrucción de las órbitas de las estrellas dentro de nuestra galaxia natal. Si tal análisis muestra que las estrellas del pobre viejo corazón pertenecen a dos o tres grupos diferentes, cada uno con su propio patrón de movimiento, es probable que esos grupos correspondan a las diferentes dos o tres galaxias progenitoras cuya fusión inicial creó el arcaico Milky. Forma.
Los resultados descritos aquí han sido publicados como Hans-Walter Rix et al, “The Poor Old Heart of the Milky Way”, en Astrophysical Journal.
Con información de The Astrophysical Journal
