Kunstig hjerne hjælper Gaia med at fange stjerner i fart

Ved hjælp af software, der efterligner en menneskelig hjerne, ESA's Gaia-satellit opdagede seks stjerner, der lynede med høj hastighed fra midten af ​​vores galakse til dens udkant. Dette kunne give nøgleoplysninger om nogle af de mest obskure områder af Mælkevejen.

Vores galaktiske hjem, Mælkevejen, huser mere end hundrede milliarder stjerner, alt sammen holdt sammen af ​​tyngdekraften. De fleste er placeret i en fladtrykt struktur – den galaktiske skive – med en bule i midten, mens de resterende stjerner er fordelt i en bredere sfærisk glorie, der strækker sig ud til omkring 650.000 lysår fra centrum.

Stjerner er ikke ubevægelige i galaksen, men bevæger sig rundt i dens centrum med forskellige hastigheder afhængigt af deres placering – f.eks. solen kredser omkring 220 km/s, mens gennemsnittet i haloen er på omkring 150 km/s.

Lejlighedsvis, nogle få stjerner overstiger disse allerede ganske imponerende hastigheder.

Nogle accelereres af et tæt stjernemøde eller supernovaeksplosionen af ​​en stjerneledsager, resulterer i løbske stjerner med hastigheder op til et par hundrede km/s over gennemsnittet.

En ny klasse af højhastighedsstjerner blev opdaget for lidt over et årti siden. Svinger gennem galaksen med flere hundrede km/s, de er resultatet af tidligere interaktioner med det supermassive sorte hul, der sidder i centrum af Mælkevejen og, med en masse på fire millioner sole, styrer stjernernes kredsløb i dens nærhed.

"Disse hyperhastighedsstjerner er ekstremt vigtige for at studere den overordnede struktur af vores Mælkevej, " siger Elena Maria Rossi fra Leiden Universitet i Holland, som præsenterede Gaias opdagelse af seks nye sådanne stjerner i dag ved European Week of Astronomy and Space Science i Prag, Tjekkiet.

"Dette er stjerner, der har rejst store afstande gennem galaksen, men som kan spores tilbage til dens kerne - et område så tæt og skjult af interstellar gas og støv, at det normalt er meget vanskeligt at observere - så de giver afgørende information om gravitationsfeltet af Mælkevejen fra centrum til dens udkant."

Desværre, hurtigt bevægende stjerner er ekstremt vanskelige at finde i Mælkevejens stjernehøstak, da aktuelle undersøgelser viser hastigheden på højst et par hundrede tusinde stjerner.

For at finde dem, forskere har ledt efter unge, massive stjerner, der ville skille sig ud som indgribere i den gamle stjernepopulation i den galaktiske glorie. Givet væk af deres malplacerede alder, disse stjerner har sandsynligvis fået et ekstra kick for at nå glorien. Yderligere målinger af deres hastigheder og estimater af deres tidligere stier kan bekræfte, om de faktisk er hyperhastighedsstjerner, der blev skubbet væk fra centrum af Mælkevejen.

Indtil nu, kun 20 sådanne stjerner er blevet set. På grund af det specifikke valg af denne metode, disse er alle unge stjerner med en masse på 2,5 til 4 gange solens. Imidlertid, videnskabsmænd mener, at mange flere stjerner i andre aldre eller masser suser gennem galaksen, men forbliver uafsløret af denne type søgning.

Den milliardstjernede folketælling, der udføres af Gaia, tilbyder en unik mulighed, så Elena og hendes samarbejdspartnere begyndte at spekulere på, hvordan man kunne bruge et så stort datasæt til at optimere søgningen efter stjerner i hurtig bevægelse.

Efter at have testet forskellige metoder, de vendte sig til software, hvorigennem computeren lærer af tidligere erfaringer.

"Til sidst, vi valgte at bruge et kunstigt neuralt netværk, som er software designet til at efterligne, hvordan vores hjerne fungerer, " forklarer Tommaso Marchetti, Ph.d.-studerende ved Leiden Universitet og hovedforfatter af papiret, der beskriver resultaterne offentliggjort i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

"Efter ordentlig 'træning', den kan lære at genkende bestemte objekter eller mønstre i et enormt datasæt. I vores tilfælde, vi lærte det at spotte hyperhastighedsstjerner i et stjernekatalog som det, der er udarbejdet med Gaia."

Som en del af Elenas forskningsprojekt for at studere disse stjerner, holdet begyndte at udvikle og træne dette program i første halvdel af 2016, for at være klar til den første udgivelse af Gaia-data et par måneder senere, den 14. september.

Udover et kort med over en milliard stjernepositioner, denne første udgivelse inkluderede et mindre katalog med afstande og bevægelser for to millioner stjerner, ved at kombinere observationer fra Gaias første år med observationer fra ESA's Hipparcos-mission, som kortlagde himlen for mere end to årtier siden. Benævnt Tycho-Gaia Astrometric Solution, eller TGAS, denne ressource er en smagsprøve på fremtidige kataloger, der udelukkende vil være baseret på Gaia-data.

"På dagen for datafrigivelsen, vi kørte vores helt nye algoritme på de to millioner stjerner i TGAS, " siger Elena.

"På kun en time den kunstige hjerne havde allerede reduceret datasættet til omkring 20.000 potentielle højhastighedsstjerner, reducere dens størrelse til omkring 1%.

"En yderligere udvælgelse, der kun inkluderer målinger over en vis præcision i afstand og bevægelse, bragte dette ned til 80 kandidatstjerner."

Holdet så nærmere på disse 80 stjerner. Da kun information om stjernens bevægelse hen over himlen er inkluderet i TGAS-dataene, de måtte finde yderligere spor for at udlede deres hastighed, ser på tidligere stjernekataloger eller udfører nye observationer.

"Kombinerer alle disse data, vi fandt ud af, at seks stjerner kan spores tilbage til det galaktiske center, alle med hastigheder over 360 km/s, " siger Tommaso.

Mest vigtigt, det lykkedes forskerne at undersøge en anden population end de 20 stjerner, der allerede var kendt:de nyligt identificerede stjerner har alle lavere masse, ligner massen af ​​vores sol.

En af de seks stjerner ser ud til at køre så stærkt, med over 500 km/s, at den ikke længere er bundet af galaksens tyngdekraft og til sidst vil forlade den. Men den anden, lidt langsommere stjerner, er måske endnu mere fascinerende, da videnskabsmænd er ivrige efter at lære, hvad der bremsede dem – kan det usynlige mørke stof, der menes at gennemsyre Mælkevejen, også have spillet en rolle.

Mens det nye program var optimeret til at søge efter stjerner, der blev accelereret i centrum af galaksen, den identificerede også fem af de mere traditionelle løbske stjerner, som skylder deres høje hastigheder stjernemøder andre steder i Mælkevejen.

"Dette resultat viser Gaia's store potentiale ved at åbne nye veje til at undersøge strukturen og dynamikken i vores galakse, " siger Anthony Brown fra Leiden University, en medforfatter på undersøgelsen og formand for Gaia Data Processing and Analysis Consortium.

Forskerne ser frem til at bruge data fra den næste Gaia-udgivelse, som er planlagt til april 2018 og vil omfatte afstande og bevægelser på himlen for over en milliard stjerner, samt hastigheder for en delmængde.

Beskæftiger sig med en milliard stjerner, i stedet for de to millioner, der er udforsket indtil videre, er en kæmpe udfordring, så holdet har travlt med at opgradere deres program til at håndtere et så stort katalog og for at afdække de mange fartstjerner, der vil gemme sig i dataene.

"Det store antal stjerner, som Gaia undersøger, er en spændende, men også udfordrende mulighed for astronomer, og vi er glade for at se, at de med glæde tager udfordringen imod, " siger Timo Prusti, Gaia-projektforsker ved ESA.