Witamy gości z innej galaktyki. Superkomputery odkryły strumień gwiazd wpadający do Drogi Mlecznej

Nix, bo taką nazwę nadano temu osobliwemu strumieniowi, najprawdopodobniej stanowi pozostałość po galaktyce karłowatej, która zderzyła się z Drogą Mleczną. Najczęściej tego rodzaju strumienie stanowią jedynie wspomnienie po dawnych gromadach kulistych lub galaktykach karłowatych, które wskutek oddziaływań pływowych z Drogą Mleczną zostały najpierw rozciągnięte, a z czasem rozerwane i pochłonięte przez naszą galaktykę.

Do odkrycia Nix doszło w dosyć nietypowy sposób, który doskonale pokazuje w jaki sposób dochodzi do nowych odkryć naukowych w dzisiejszej astronomii i astrofizyce.

Lina Necib zajmuje się kinematyką gwiazd i ciemnej materii w Drodze Mlecznej.

Od 2014 r. w ramach projektu FIRE (Feedback in Realistic Environments) badacze z kilku amerykańskich uczelni pracowali nad stworzeniem bardzo szczegółowych symulacji realistycznych galaktyk. W symulacjach tych uwzględniona jest cała nasza aktualna wiedza o tym w jaki sposób powstają i ewoluują galaktyki. Zaczynając w momencie Wielkiego Wybuchu, symulacje prowadzą do powstania galaktyk takich, jakie obserwujemy w obecnym wszechświecie.

Jeszcze przed rozpoczęciem projektu FIRE, w 2013 r. w przestrzeń kosmiczną wyniesiono kosmiczne obserwatorium Gaia. Jego głównym zadaniem jest stworzenie precyzyjnej, trójwymiarowej mapy około miliarda gwiazd w Drodze Mlecznej i w jej otoczeniu.

Obserwatorium Gaia mierzy położenie, odległości, prędkości i kierunek ruchu wszystkich obserwowanych gwiazd. Dla siedmiu milionów gwiazd mamy już także pomiary prędkości w trzech wymiarach, co oznacza, że wiemy dokładnie gdzie te gwiazdy są i w którą stronę i jak szybko się poruszają. Dzięki takim danym można teraz przeprowadzać rozległe analizy, które pozwalają naukowcom szerzej spojrzeć na strukturę całej Drogi Mlecznej.

Odkrycie strumienia Nix było możliwe dzięki połączeniu danych z tych dwóch projektów astrofizycznych i wykorzystaniu metod nauczania maszynowego.

Zarówno FIRE jak i Gaia starają się odpowiedzieć na pytanie w jaki sposób Droga Mleczna stała się takim systemem jaki obserwujemy dzisiaj.

Tworzenie mapy miliarda gwiazd to istne przekleństwo. Z jednej strony każdy naukowiec marzy o tak szczegółowych danych, a z drugiej strony takiej ilości danych nikt nie jest w stanie sam przeanalizować. Nie da się spojrzeć na dane dotyczące siedmiu milionów gwiazd i ogarnąć co one robią, jak się zachowują.

W tym celu naukowcy stworzyli sztuczne katalogi Gai. W oparciu o symulacje galaktyk w FIRE naukowcy tworzyli sztuczne katalogi gwiazd, na których testowali kolejne modele, które miały za zadanie, na podstawie ruchu gwiazd w symulacji, dzielić je na te które powstały w galaktyce, a które zostały przejęte z zewnątrz. Często różnice między takimi gwiazdami są bardzo niewielkie i subtelne, niemniej jednak modele komputerowe powinny być w stanie je wyłuskać z danych.

Po przeszkoleniu modeli przetestowano je na danych z obserwatorium Gaia.

W trakcie analizy modele przyporządkowywały każdej gwieździe spoza galaktyki stopień pewności od 0 do 1, ze faktycznie jest ona spoza galaktyki. Naukowcy ustawiali punkt odcięcia na różnych poziomach pewności i analizowali uzyskiwane w ten sposób wyniki.

Aby sprawdzić czy modele faktycznie wyłapują te gwiazdy, które powinny, sprawdzano czy są one w danych z Gai wyłapać te gwiazdy, o których już i tak wiemy, że nie powstały w naszej galaktyce. Wśród takich obiektów znalazła się Kiełbasa – pozostałość galaktyki karłowatej, która połączyła się z Drogą Mleczną jakieś 6-10 mld lat temu i ma bardzo charakterystyczny, przypominający kiełbasę, kształt.

I faktycznie, Kiełbasa natychmiast została zauważona przez sieć. Tak samo stało się z pozostałymi obiektami jakie według naukowców, sieć powinna dostrzec: strumień Helmi będący pozostałością po innej galaktyce karłowatej, która połączyła się z naszą galaktyką w odległej przeszłości, a odkryty dopiero w 1999 roku, czy też samo halo galaktyczne.

Model zidentyfikował także kolejną strukturę w danych: gromadę 250 gwiazd okrążającą także centrum Drogi Mlecznej wraz z dyskiem, ale także wyraźnie kierującą się do centrum Drogi Mlecznej.

Cały projekt wymagał bardzo zaawansowanych i dużych mocy obliczeniowych na wielu etapach. Symulacje FIRE i FIRE-2 są jednym z największych komputerowych modeli galaktyk jakie kiedykolwiek stworzono.  Każda z dziewięciu głównych symulacji wymagała wielu miesięcy obliczeń prowadzonych na największych i najszybszych superkomputerach na świecie. Do ich stworzenia wykorzystano komputery Blue Waters oraz Stempede2.

Inni badacze wykorzystali klastry na Uniwersytecie w Oregon do głębokiego uczenia modeli i do zastosowania ich do olbrzymich baz danych z obserwatorium Gaia. Aktualnie kontynuują oni swoją pracę na Fronterze, najszybszym systemie uniwersyteckim na świecie.

Necib  wraz ze swoim zespołem planuje przeprowadzenie obserwacji Nix za pomocą teleskopów naziemnych. Dzięki temu możliwe będzie ustalenie składu chemicznego całego strumienia i innych szczegółów, które pozwolą ustalić kiedy Nix dołączył do Drogi Mlecznej, a tym samym skąd pochodzi.

Kolejny zestaw danych z obserwatorium Gaia, który zostanie opublikowany w 2021 r. będzie zawierał dane dotyczące kolejnych 100 milionów gwiazd, które także mogą dostarczyć nowych strumieni.