2013 lanserade Europeiska rymdorganisationen Gaia-rymdfarkosten. Som efterföljare till Hipparcos-uppdraget har detta rymdobservatorium spenderat de senaste tre och ett halvt år på att samla in information om rymden. Innan uppdraget upphör nästa år (även om det kan förlängas) kommer den erhållna informationen att användas för att bygga den största och mest exakta 3D-astronomiska kartan.
Under rymdundersökningen upptäckte Gaia också flera intressanta saker. Till exempel, efter att ha utforskat Gaia-katalogen med ett specialdesignat konstgjort neuralt nätverk, hittade ett europeiskt forskargrupp nyligen sex nya hyperspeed-stjärnor i Vintergatan. Och en av dessa stjärnor rör sig så snabbt att den så småningom kan lämna vår galax.
Deras forskning, med titeln An Artificial Neural Network to Discover Hypervelocity Stars: Candidates in Gaia DR1 / TGAS, publicerades nyligen i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Det presenterades också i slutet av förra månaden vid "European Week of Astronomy and Space Sciences", som hölls den 26-30 juni i Prag, Tjeckien.
Konstnärligt koncept av Gaia-teleskopet mot bakgrund av Vintergatan, Kredit: ESA / ATG medialab; bakgrund: ESO / S. Brunier
Hypervelocity-stjärnor är sällsynta och fascinerande föremål. Medan alla stjärnorna i Vintergatan är i konstant rörelse i banor runt mitten av vår galax, accelererar några av dem till hastigheter på hundratals kilometer per sekund. Tidigare har astronomer dragit slutsatsen att dessa snabba stjärnor är resultatet av att stjärnorna passerar på nära avstånd eller en supernova från en stjärnkamrat.
Och för drygt ett decennium sedan blev astronomer medvetna om en ny klass av höghastighetsstjärnor som tros ha påskyndats från tidigare interaktioner med det supermassiva svarta hålet Skytten A *, som ligger i centrum av galaxen. Dessa stjärnor är mycket viktiga för att studera Vintergatans allmänna struktur, eftersom de anger de specifika typerna av händelser och krafter som har format deras historia.
Som Elena Maria Rossi från Leiden University i Nederländerna, som är en av författarna till artikeln, förklarade i ett ESA-pressmeddelande:
”Det här är stjärnor som har rest enorma sträckor genom galaxen, men som kan spåras till dess kärna - ett område som är så tätt och dolt av interstellär gas och damm att det vanligtvis är mycket svårt att observera - så att de ger oss viktig information om Vintergatans gravitation från centrum till dess utkanter."
Kampanjvideo:
Konstnärligt begrepp av stjärnor som rusar genom galaxen. Kredit: Europeiska rymdorganisationen
Att hitta sådana stjärnor är inte en lätt uppgift, till stor del eftersom deras hastighet gör dem extremt svåra att upptäcka i den enorma och trånga disken på Vintergatan. Som ett resultat har forskare förlitat sig på unga massiva stjärnor (från 2,5 till 4 solmassor) i den gamla stjärnpopulationen i galaxen. I grund och botten är deras unga ålder och stora massa indikatorer på att de inte kan uppstå där.
I kombination med mätningar av deras tidigare hastigheter och banor bekräftade denna metod förekomsten av hyperhastighetsstjärnor tidigare. Hittills har dock forskare hittat endast 20 hyperspeed-stjärnor, och de var alla unga och massiva. Forskare tror att många fler stjärnor i andra åldrar och massor rör sig genom Vintergatan i så höga hastigheter, men de kunde inte upptäckas förut.
För att ta itu med detta problem började ett europeiskt forskargrupp under ledning av Tomasso Marchetti från Leiden University i Nederländerna att överväga hur man använder Gaias stora dataset för att optimera sökningar efter hyperspeed-stjärnor. Efter att ha testat olika metoder anpassade de ett neutronnätverk för dessa ändamål, det vill säga de använde en maskininlärningsalgoritm för att söka i Gaia-stjärnantalet under folkuppsamlingsprocessen.
Från och med första hälften av 2016 började teamet utveckla och utbilda detta program som förberedelse för den första Gaia-datainformationen, som hände några månader senare, den 14 september 2016. Leiden University doktorand Tomasso Marchetti beskrev processen enligt följande:
”Till slut bestämde vi oss för att använda ett artificiellt neutronnätverk - programvara som är utformad för att simulera hur våra hjärnor fungerar. Med rätt "träning" kan den lära sig att känna igen vissa objekt eller mönster i en enorm dataset. I vårt fall tränade vi henne att leta efter hyperspeed-stjärnor i en stjärnkatalog, som den som sammanställts av Gaia.
Konstnärlig framställning av en hyperspeed-stjärna som upptäcktes av ESO: s Very Large Telescope. Kredit: European Southern Observatory
Förutom en karta med platserna för över en miljard stjärnor, inkluderade de första uppgifterna en liten katalog över avstånd och rörelser på två miljoner stjärnor. Denna katalog, med titeln "Tycho-Gaia Astrometric Solution (TGAS)", kombinerade data från Gaia- och Hipparcos-uppdragen.
Den dagen katalogen publicerades körde Marchetti och hans team en algoritm på två miljoner stjärnor inom TGAS, vilket ledde till intressanta resultat. "På bara en timme har den konstgjorda hjärnan redan minskat datasetet till 20 000 potentiella höghastighetsstjärnor, ner till 1%", sa Rossi. "Ytterligare val, inklusive endast avstånd och rörelse med en viss mätnoggrannhet, tog in så många som 80 kandidatstjärnor."
Teamet studerade sedan dessa 80 stjärnor mer detaljerat och jämförde sin rörelseinformation med data från andra kataloger. I kombination med ytterligare observationer hittade de så småningom sex stjärnor som verkar röra sig snabbare än 360 km / s. En av dem har till och med en hastighet på över 500 km / s, vilket innebär att den inte längre är bunden av allvaret i vår Vintergatan och så småningom kommer att lämna den.
Men kanske den viktigaste aspekten av denna upptäckt är att dessa stjärnor inte är särskilt massiva, som de tidigare 20, vars massa var jämförbar med den för vår sol. Dessutom kommer sannolikt de 5 långsammare stjärnorna att bli fokus för hela studien, eftersom forskare vill avgöra vad som håller tillbaka dem. En möjlig förklaring är att mörk materia i galaxen är ansvarig för denna interaktion.
Gaias första himmelkarta. Upphovsman: ESA / Gaia / DPAC, A. Moitinho & M. Barros (CENTRA - Lissabonuniversitetet), på uppdrag av DPAC
Eftersom TGAS på många sätt bara var en liten del av Gaias stora och värdefulla data, visar denna studie vilken typ av forskningsupptäckter som kommer att vara möjliga. Med data om miljarder stjärnor kommer astronomer säkert att upptäcka ny och fantastisk kunskap om dynamiken i vår Vintergatan och de krafter som skapade den.
För detta ändamål förfinar Marchetti och hans team sin programvara för att hantera den mycket större datamängden, som förväntas släppas i april 2018. Denna katalog kommer att innehålla avstånd och rörelser för över en miljard stjärnor samt hastigheter för en delmängd. Från det lär sig laget att snabba stjärnor i Vintergatan är mycket vanligare än man tidigare trott.
Och se till att titta på den här videon som visar banorna för dessa nyligen upptäckta snabba stjärnor, från ESA: