W 2013 roku Europejska Agencja Kosmiczna wystrzeliła statek kosmiczny Gaia. Jako następca misji Hipparcos, obserwatorium kosmiczne spędziło ostatnie trzy i pół roku na zbieraniu informacji o kosmosie. Zanim jego misja dobiegnie końca w przyszłym roku (choć może zostać przedłużona), otrzymane informacje posłużą do zbudowania największej i najdokładniejszej mapy astronomicznej 3D.
Podczas badania kosmicznego Gaia odkryła również kilka interesujących rzeczy. Na przykład, po zbadaniu katalogu Gaia za pomocą specjalnie zaprojektowanej sztucznej sieci neuronowej, europejski zespół naukowców odkrył niedawno sześć nowych gwiazd z hiperprędkością w Drodze Mlecznej. Jedna z tych gwiazd porusza się tak szybko, że może ostatecznie opuścić naszą galaktykę.
Ich badanie, zatytułowane An Artificial Neural Network to Discover Hypervelocity Stars: Candidates in Gaia DR1 / TGAS, zostało niedawno opublikowane w Monthly Notices of the Królewskie Towarzystwo Astronomiczne. Został on również zaprezentowany pod koniec ubiegłego miesiąca podczas „Europejskiego Tygodnia Astronomii i Nauk o Kosmosie”, który odbył się w dniach 26-30 czerwca w Pradze w Czechach.
Koncepcja artystyczna teleskopu Gaia na tle Drogi Mlecznej, Źródło: ESA / ATG medialab; tło: ESO / S. Brunier
Gwiazdy hiperprędkości są rzadkimi i fascynującymi obiektami. Podczas gdy wszystkie gwiazdy Drogi Mlecznej są w ciągłym ruchu na orbitach wokół centrum naszej galaktyki, niektóre z nich przyspieszają do prędkości setek kilometrów na sekundę. W przeszłości astronomowie doszli do wniosku, że te szybko poruszające się gwiazdy są wynikiem przejścia gwiazd z bliskiej odległości lub supernowej od gwiezdnego towarzysza.
Nieco ponad dziesięć lat temu astronomowie zdali sobie sprawę z istnienia nowej klasy szybkich gwiazd, które, jak się uważa, zostały przyspieszone w wyniku wcześniejszych interakcji z supermasywną czarną dziurą Sagittarius A *, która znajduje się w centrum galaktyki. Gwiazdy te są bardzo ważne dla badania ogólnej struktury Drogi Mlecznej, ponieważ wskazują określone rodzaje wydarzeń i sił, które ukształtowały ich historię.
Jak wyjaśniła Elena Maria Rossi z Uniwersytetu Leiden w Holandii, która jest jednym z autorów artykułu, w komunikacie prasowym ESA:
„Są to gwiazdy, które przebyły olbrzymie odległości w Galaktyce, ale można je prześledzić do jej jądra - obszaru tak gęstego i zasłoniętego przez międzygwiazdowy gaz i pył, że zwykle jest to bardzo trudne do zaobserwowania - dzięki czemu dostarczają nam ważnych informacji o polu grawitacyjnym Drogi Mlecznej od centrum do jego peryferii”.
Film promocyjny:
Artystyczna koncepcja gwiazd pędzących przez galaktykę. Kredyt: Europejska Agencja Kosmiczna
Znalezienie takich gwiazd nie jest łatwym zadaniem, w dużej mierze dlatego, że ich prędkość sprawia, że niezwykle trudno jest je wykryć na ogromnym i zatłoczonym dysku Drogi Mlecznej. W rezultacie naukowcy oparli się na młodych masywnych gwiazdach (od 2,5 do 4 mas Słońca) w starej populacji gwiazd w Galaktyce. Zasadniczo ich młody wiek i duża masa wskazują, że nie mogą tam powstać.
W połączeniu z pomiarami ich prędkości i trajektorii w przeszłości, metoda ta potwierdziła obecność gwiazd z nadprędkością w przeszłości. Jednak do tej pory naukowcy odkryli tylko 20 gwiazd z hiperprędkością i wszystkie były młode i masywne. Naukowcy uważają, że przez Drogę Mleczną z tak dużą prędkością przemieszcza się znacznie więcej gwiazd w innym wieku io innej masie, ale wcześniej nie można ich było wykryć.
Aby rozwiązać ten problem, europejski zespół naukowców pod kierownictwem Tomassa Marchettiego z Uniwersytetu w Leiden w Holandii zaczął rozważać, w jaki sposób wykorzystać ogromny zbiór danych Gaia do optymalizacji poszukiwań gwiazd z hiperprędkością. Po przetestowaniu różnych metod zaadaptowali do tych celów sieć neutronów, to znaczy wykorzystali algorytm uczenia maszynowego do przeszukiwania danych ze spisu gwiazd Gaia podczas procesu zbierania.
Począwszy od pierwszej połowy 2016 roku, zespół rozpoczął opracowywanie i szkolenie tego programu w ramach przygotowań do pierwszej publikacji danych Gaia, która miała miejsce kilka miesięcy później, 14 września 2016 roku. Absolwent Uniwersytetu w Leiden, Tomasso Marchetti, opisał ten proces w następujący sposób:
„Ostatecznie zdecydowaliśmy się użyć sztucznej sieci neutronów - oprogramowania zaprojektowanego do symulacji pracy naszych mózgów. Przy odpowiednim „treningu” może nauczyć się rozpoznawać określone obiekty lub wzorce w ogromnym zbiorze danych. W naszym przypadku wyszkoliliśmy ją, by szukała gwiazd z hiperprędkością w katalogu gwiazd, takim jak ten opracowany przez Gaię.
Artystyczne przedstawienie hiperszybkiej gwiazdy odkrytej przez Bardzo Duży Teleskop ESO. Źródło: Europejskie Obserwatorium Południowe
Oprócz mapy z lokalizacjami ponad miliarda gwiazd, pierwsze dane obejmowały mały katalog odległości i ruchu dwóch milionów gwiazd. Ten katalog, zatytułowany „Tycho-Gaia Astrometric Solution (TGAS)”, zawiera połączenie danych z misji Gaia i Hipparcos.
W dniu publikacji katalogu Marchetti i jego zespół przeprowadzili algorytm na dwóch milionach gwiazd w ramach TGAS, co doprowadziło do interesujących odkryć. „W ciągu zaledwie jednej godziny sztuczny mózg zmniejszył już zbiór danych do 20 000 potencjalnych gwiazd o dużej prędkości, do 1%” - powiedział Rossi. „Dalsza selekcja, obejmująca tylko odległość i ruch z pewną dokładnością pomiaru, przyniosła aż 80 kandydatów na gwiazdy”.
Następnie zespół zbadał te 80 gwiazd bardziej szczegółowo i porównał ich informacje o ruchu z danymi z innych katalogów. W połączeniu z dodatkowymi obserwacjami ostatecznie odkryli sześć gwiazd, które wydają się poruszać z prędkością większą niż 360 km / s. Jedna z nich ma nawet prędkość ponad 500 km / s, co oznacza, że nie jest już związana grawitacją naszej Drogi Mlecznej i ostatecznie ją opuści.
Ale być może najważniejszym aspektem tego odkrycia jest to, że te gwiazdy nie są szczególnie masywne, jak poprzednie 20, których masa była porównywalna z masą naszego Słońca. Ponadto 5 wolniejszych gwiazd prawdopodobnie stanie się przedmiotem całego badania, ponieważ naukowcy chcą ustalić, co je powstrzymuje. Jednym z możliwych wyjaśnień jest to, że za tę interakcję odpowiedzialna jest ciemna materia w galaktyce.
Pierwsza mapa nieba Gaia. Źródło: ESA / Gaia / DPAC, A. Moitinho & M. Barros (CENTRA - Uniwersytet Lizboński), w imieniu DPAC
Ponieważ TGAS był pod wieloma względami tylko niewielką częścią rozległych i cennych danych Gai, niniejsze badanie pokazuje rodzaje odkryć badawczych, które będą możliwe. Dysponując danymi dotyczącymi miliardów gwiazd, astronomowie z pewnością odkryją nową i niesamowitą wiedzę o dynamice naszej Drogi Mlecznej i siłach, które ją stworzyły.
W tym celu Marchetti i jego zespół udoskonalają swój program, aby obsługiwał znacznie większy zbiór danych, który ma zostać opublikowany w kwietniu 2018 r. Katalog ten będzie zawierał odległości i ruchy ponad miliarda gwiazd, a także prędkości dla podzbioru. Na tej podstawie zespół dowiaduje się, że szybko poruszające się gwiazdy w Drodze Mlecznej występują znacznie częściej niż wcześniej sądzono.
Koniecznie obejrzyj ten film pokazujący trajektorie tych nowo odkrytych szybko poruszających się gwiazd z ESA: