Witamy gości z innej galaktyki. Superkomputery odkryły strumień gwiazd wpadający do Drogi Mlecznej
Dzięki najnowszym danym zebranym przez kosmiczne obserwatorium Gaia, naukowcy zidentyfikowali w naszym bezpośrednim gwiezdnym otoczeniu rozległy strumień gwiazd, które nie powstały w naszej galaktyce, a dopiero teraz do niej dołączają.
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.
FIRE!
Lina Necib zajmuje się kinematyką gwiazd i ciemnej materii w Drodze Mlecznej.
Jeżeli mamy jakieś grupy, zagęszczenia gwiazd poruszające się w ten sam, charakterystyczny sposób, to zazwyczaj jest też jakiś powód, dla którego one poruszają się w taki sam sposób.
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.
Tworzenie mapy Drogi Mlecznej
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.
Galaktyki bardzo często rosną pochłaniając inne galaktyki. Zakładaliśmy, że Droga Mleczna raczej nie miała zbyt wiele zderzeń z innymi galaktykami i przez jakiś czas nas to dziwiło, ponieważ nasze symulacje wskazują na mnóstwo zderzeń. Teraz, dzięki temu, że mamy dostęp do danych o dużej liczbie mniejszych struktur, okazuje się, że wcale nie było tu tak cicho jak się może wydawać. Aby jednak dojść do takiego wniosku, potrzebowaliśmy zarówno narzędzi, jak i danych obserwacyjnych i symulacji. Jesteśmy dopiero na początku drogi do prawdziwego poznania historii formowania się Drogi Mlecznej.
Gaia wymaga algorytmów głębokiego uczenia
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.
Stworzonej przez nas sieci neuronowej poleciliśmy zidentyfikowanie gwiazd spoza Drogi Mlecznej na podstawie tego czego się nauczyła w symulacjach FIRE – mówi Necib.
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.
Jeżeli nasza sieć neuronowa działa tak jak tego chcieliśmy, to powinna od razu zidentyfikować gwiazdy należące do Kiełbasy.
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.
Nowy obiekt: Nix
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.
W pierwszym odruchu stwierdziłam, że to błąd. Pomyślałam „O nie!” Nawet o tym nie wspomniałam innym członkom zespołu przez trzy kolejne tygodnie. W tym czasie jednak uświadomiłam sobie, że to nie błąd w danych, to faktycznie nowa struktura, której nigdy wcześniej nie wdzieliśmy.
Zaczęłam analizować całą literaturę i sprawdzać czy aby na pewno nikt wcześniej jej nie widział. Okazało się, że nie. Dzięki temu miałam unikalną okazję nazwać ten nowy strumień – a jak wiemy to najbardziej ekscytujący przywilej w całej astrofizyce. Nazwałam ją Nix, na cześć greckiej bogini nocy. To niezwykle wyjątkowa struktura, bowiem bez nauczania maszynowego mielibyśmy niewielkie szanse w ogóle ją dostrzec.
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.
Każdy element tego projektu wymagał olbrzymich mocy obliczeniowych i byłby niemożliwy do zrealizowania bez superkomputerów – dodaje Nacib.
Co dalej?
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.
