天文学家确定银河系的古老心脏

一组MPIA天文学家已经设法确定了“银河系可怜的老心脏”——我们银河系最早历史遗留下来的一群恒星，它们位于我们银河系的核心区域。

对于这一“银河考古学”壮举，研究人员分析了ESA盖亚任务最新发布的数据，使用神经网络提取了银河系内部200万颗明亮巨星的金属丰度。这些恒星的探测，以及它们的观测特性，为我们银河系最早历史的宇宙学模拟提供了可喜的佐证。

我们的家园银河系几乎在整个宇宙历史中逐渐形成，跨越130亿年。在过去的几十年里，天文学家已经设法重建银河系历史的不同时期，就像考古学家重建一座城市的历史一样：一些建筑物有明确的建造日期。

对于其他人来说，使用更原始的建筑材料或更古老的建筑风格意味着它们曾经出现过，就像在其他(因此更新的)结构下发现残余物的情况一样。最后但同样重要的是，空间格局很重要——对于许多城市来说，都会有一个中心老城区，周围环绕着明显较新的地区。

对于星系，尤其是我们的星系，宇宙考古学沿着非常相似的路线进行。星系的基本组成部分是它的恒星。对于一小部分恒星，天文学家可以准确推断出它们的年龄。例如，所谓的亚巨星就是如此，这是恒星演化的一个短暂阶段，恒星的亮度和温度可以用来推断它的年龄。

从化学推算年龄

更一般地说，对于几乎所有的恒星，都有一种“建筑风格”可以对年龄做出一般性判断：恒星所谓的金属丰度，定义为恒星大气中所含的比氦重的化学元素的数量。这些被天文学家称为“金属”的元素是通过核聚变在恒星内部产生的，并在恒星生命接近或结束时释放——一些是在低质量恒星的大气层消散时释放的，而较重的元素在质量大的恒星时释放得更猛烈爆炸成超新星。通过这种方式，每一代恒星都“播种”了形成下一代恒星的星际气体，而且通常每一代恒星的金属丰度都高于其他恒星。

至于更大规模的结构，就像在城市中一样，空间分布很重要。但考虑到星系不像城市那样静止——建筑物通常不会四处移动，而恒星会移动——运动模式也编码了重要信息。银河系的恒星可能局限在中心区域，也可能是银河系薄盘或厚盘中有序旋转运动的一部分。或者，它们可能构成我们银河系延伸的恒星光环混乱混乱轨道的一部分——包括非常古怪的恒星，它们反复穿过内部和最外部区域。

大星系如何随时间增长

在城市可能经历建设热潮或密集改造时期的地方，星系的历史是由合并和碰撞以及数十亿年来流入星系的大量新鲜氢气塑造的，氢气是星系制造新事物的原材料星星。星系的历史始于较小的原星系：大爆炸后不久的密度过大的区域，气体云在此处坍塌形成恒星。

因此，原星系碰撞并合并，形成更大的星系。为这些稍大的物体添加另一个原星系，即一个充分偏离中心(“大轨道角动量”)飞行的原星系，你最终可能会得到一个恒星盘。合并两个足够大的星系(“主要合并”)，它们的气体储层将升温，形成一个复杂的椭圆星系，结合了缺乏新恒星形成和现有较老恒星的复杂轨道模式。

重建这种历史是将信息量越来越大的观察与越来越复杂的模拟相结合的问题。虽然关于星系形成和演化过程中发生的事情的概况已经存在了几十年，但具体细节直到最近才出现——这在很大程度上要归功于产生了更好、更全面的数据的调查。

我们的家乡银河系在其中扮演着特殊的角色。根据定义，这是我们可以最好、最详细地检查其恒星的星系。银河考古学被定义为对我们所在星系历史的研究，它不仅让我们能够重建我们自己更广泛的历史的一部分，而且还能从总体上了解一些关于星系演化的知识(“局部宇宙学”)。

在银河系令人兴奋的青少年时期之前发生了什么?

这一特殊的银河考古事件始于2022年春季发布的重建：MPIA研究人员MaoshengXiang和Hans-WalterRix利用ESA盖亚卫星和LAMOST光谱调查的数据确定了史无前例的恒星样本中的恒星年龄二十五万所谓的次级巨头。通过这一分析，天文学家能够重建110亿年前银河系令人兴奋的青春期及其随后更稳定(或无聊)的成年期的结果。

(青少年时期恰逢另一个名为盖亚土卫二/香肠的星系最后一次与银河系发生重大合并，其残余物于2018年被发现。它引发了一个密集的恒星形成阶段，并导致了一个相对较厚的恒星盘，我们可以看到今天。成年期包括适度流入的氢气，这些氢气沉入我们银河系扩展的薄盘中，数十亿年来缓慢但持续地形成新恒星。)

天文学家当时注意到的是，他们十几岁的样本中最古老的恒星已经具有相当大的金属丰度，大约是我们太阳金属丰度的10%。显然，在这些恒星形成之前，一定有更早的几代恒星用金属污染了星际介质。

什么模拟告诉我们银河系的古老核心

事实上，那些前几代人的存在与宇宙历史模拟的预测是一致的。此外，这些模拟预测了在何处可以合理地找到那些较早几代人的幸存代表。具体来说，在这些模拟中，后来成为我们银河系的最初形成涉及三个或四个原星系，它们非常接近地形成，然后相互合并，它们的恒星安顿下来成为一个相对紧凑的核心，不超过一个直径几千光年。

后来添加的更小的星系将导致各种圆盘结构和光环的产生。但是根据模拟，可以预期该初始核心的一部分可以相对毫发无损地在这些后来的发展中幸存下来。即使在数十亿年后的今天，也应该有可能在我们银河系的中心区域及其附近找到最初的致密核心，即银河系的古老心脏。

寻找古老的核心恒星

在这一点上，里克斯开始对从我们银河系的古老核心中真正找到恒星的方法产生了兴趣。但他知道，要找出几十颗这样的恒星，就需要一种新的观测策略。此前研究中使用的LAMOST望远镜，由于其位于地球上，无法在夏季季风月份进行观测，因此根本无法观测到银河系的核心区域。而亚巨星，作为之前选择的探测器，太暗了，无法在大约7,000光年的距离之外观测到，使我们银河系的核心区域完全遥不可及。

回想一下，除了那些我们可以确定特定年龄的稀有恒星之外，还有一个更普遍的恒星金属丰度指标——“不同的建筑风格”，可以让人们将恒星分为年长的和年轻的。令人高兴的是，2022年6月出现了ESA盖亚任务的数据发布3(DR3)。自2014年以来，盖亚一直在测量超过10亿颗恒星的高精度位置和运动参数，包括距离，彻底改变了(以及其他子领域)银河系天文学。DR3是第一个包含盖亚观察到的一些实际光谱的数据发布：2.2亿个天体的光谱。

来自盖亚的红巨星

光谱是天文学家找到有关恒星大气化学成分(包括金属丰度)信息的地方。但是，尽管盖亚的光谱质量很高，而且光谱数量无与伦比，但光谱分辨率——物体的光按波长分成基本彩虹色的精细程度——在设计上相对较低。从盖亚数据中提取可靠的金属丰度值需要额外的分析，这就是MPIA的盖亚研究员Hans-WalterRix和RenéAndrae在与来自哈佛大学的暑期访问学生VedantChandra的项目中解决的问题。

由于他们知道他们的分析需要到达银河系的核心区域，因此三位天文学家专门研究了盖亚样本中的红巨星。典型的红巨星比亚巨星亮大约一百倍，即使在我们银河系遥远的核心区域也很容易观察到。这些恒星还有一个额外的优势，即编码其金属丰度的光谱特征相对明显，使它们特别适合天文学家计划进行的那种分析。

通过机器学习提取金属丰度

对于分析本身，天文学家转向了机器学习方法。到目前为止，许多人都会遇到这种创新技术的应用：像DALL-E这样的软件可以从简单的文本描述中生成合适的图像，或者可以或多或少地回答问题和满足写作要求的ChatGPT。机器学习的关键特性是解决方案策略不是明确编程的。相反，该算法的核心是一个所谓的神经网络，与人脑中神经元的排列方式有表面上的相似之处。然后训练该神经网络：给定任务及其解决方案的组合，并调整输入和输出之间的连接，以便至少对于训练集，网络在给定特定输入的情况下产生正确的输出。

在这种特定情况下，神经网络使用选定的Gaia光谱作为输入进行训练——具体来说：Gaia光谱，其正确答案、金属丰度已从另一项调查中获知(APOGEE，高分辨率光谱观测作为Sloan计划的一部分)数字巡天[SDSS])。网络的内部结构经过调整，因此至少对于训练集，它可以重现正确的金属性。

200万颗明亮巨星的可靠金属性

在科学中使用机器学习的一个普遍挑战是，就其本质而言，神经网络是一个“黑匣子”——其内部结构是由训练过程形成的，不受科学家的直接控制。这就是为什么一开始，Andrae、Chandra和Rix只用一半的APOGEE数据训练他们的神经网络。在第二步中，该算法随后被设置为证明其与APOGEE数据的其余部分相比的价值-并取得了惊人的结果：神经网络能够推断出精确和准确的金属丰度，即使对于它以前从未遇到过的恒星也是如此。

既然研究人员不仅训练了他们的神经网络，而且确保它能够获得训练期间未遇到的光谱的精确结果，研究人员将该算法应用于他们完整的盖亚光谱红巨星数据集。结果一出，研究人员就获得了一个空前规模的精确金属样本，其中包括银河系内部200万个明亮的巨星。

绘制银河系的古老心脏

有了这个样本，事实证明，识别银河系的古老心脏相对容易——Rix将一群恒星称为“可怜的古老心脏”，因为它们的金属丰度低、推断的年龄大且位于中心位置。在星空图上，这些星星似乎集中在银心周围。盖亚方便地提供的距离(通过视差法)允许进行3D重建，显示这些恒星被限制在中心周围相对较小的区域内，大约30,000光年

所讨论的恒星巧妙地补充了Xiang和Rix早期对银河系青少年时期的研究：它们恰到好处的金属量产生了那些后来形成银河系厚盘的恒星中金属最贫乏的恒星。由于那项较早的研究提供了厚盘形成的年代学，这使得银河系的古老心脏的年龄超过了大约125亿年。

来自化学的证实

对于APOGEE光谱可用的一小部分天体，可以更进一步：这些光谱产生了该子集中贫老心脏恒星的额外特性，特别是元素的丰度，如氧、硅和氖。这些元素可以通过在称为“alpha增强”的过程中向现有原子核连续添加alpha粒子(氦4原子核)来获得。它们如此大量的存在表明，早期恒星是从一个环境中获得金属的，在这个环境中，重元素是通过大质量恒星的超新星爆炸在相对较短的时间内产生的。

这更符合这些恒星是在前几个原星系合并形成银河系初始核心之后直接形成的，而不是已经存在于形成银河系初始核心或与银河系合并的矮星系中。银河系之后。它再次证实了宇宙学模拟关于我们银河系最早历史的说法。

寻找银河系前身星系的途径?

虽然从盖亚的全球视野中获得的信息在证明我们银河系“可怜的老心脏”的持续存在方面具有开创性，但这一发现立即让天文学家想要了解更多：是否可以获得更多甚至所有星系的更详细的光谱?那些恒星，可以更详细地分析它们的化学成分?它们是否都会显示alpha增强，与它们在银河系初始核心中的形成一致?作为最近启动的SDSS-V调查或即将进行的4MOST调查的一部分(MPIA是这两项调查的合作伙伴)的后续光谱，有望让该小组获得回答这些关键问题所需的信息。

如果一切顺利，额外的数据甚至可以让研究人员确定核心区域的哪些恒星属于银河系的哪些前身星系：成分和温度可以可靠地估计恒星的光度。通过比较这颗恒星在天空中的亮度，可以推断出这颗恒星的距离——一颗恒星离我们越远，它在我们看来就会越暗。对于所讨论的相对较远的恒星，以这种方式获得的距离值比盖亚的视差测量结果精确得多。

恒星在天空中的位置及其距离的组合为我们提供了恒星在银河系中的三维位置。有关恒星朝向或远离我们的运动的信息——通过它们谱线的多普勒频移测量——结合它们在天空中的视在运动，可以重建恒星在我们银河系内的轨道。如果这样的分析表明可怜的老心脏的恒星属于两个或三个不同的群，每个群都有自己的运动模式，那么这些群很可能对应于最初合并产生古老银河系的两个或三个不同的前身星系方法。