快捷搜索:  www.ymwears.cn

尼克斯-在银河系中发现的起源于另一个星系的恒星流

加州理工学院的研究人员利用深度学习和超级计算机来识别尼克斯,这是很久以前星系合并的产物。

天文学家可能在他们的整个职业生涯中都没有在天空中发现一个新物体。但是对于加州理工学院的理论物理学博士后Lina Necib来说,银河系中发现了一个星团,但不是诞生于银河系,这一发现来得很早。借助超级计算机、盖亚空间观测台和新的深度学习方法的帮助。

在本周的《自然天文学》杂志上,Necib和她的合作者描述了Nyx,一个在太阳附近的巨大的新恒星流,它可能提供了一个矮星系已经与银河系合并的第一个迹象。这些恒星流被认为是球状星团或矮星系,在被完全破坏之前,它们被潮汐力沿其轨道拉伸。

尼克斯的发现走了一条迂回的道路,但它反映了当今天文学和天体物理学研究的多面性。

宇宙之火

研究运动学—或动作本;银河系中的恒星和暗物质如果有星团以某种特定的方式在一起运动,那通常就会告诉我们它们一起运动是有原因的。

自2014年以来,来自加州理工学院、西北大学、加州大学圣地亚哥分校和加州大学伯克利分校等机构的研究人员,作为一个名为“火”(真实环境中的反馈)项目的一部分,一直在开发逼真星系的高细节模拟。这些模拟包括了科学家们所知道的关于星系形成和演化的一切。从时间之初的虚拟等价物开始,模拟产生了看起来和行为都很像我们自己的星系。

绘制银河系

与FIRE项目同时,欧洲航天局于2013年发射了盖亚太空天文台。它的目标是绘制出一幅极其精确的三维地图,其中包含银河系内外大约10亿颗恒星。

这是迄今为止最大的运动学研究。这座天文台提供了10亿颗恒星的运动情况。她解释道。其中的一个子集,七百万颗恒星,具有三维速度,这意味着我们可以确切地知道一颗恒星的位置和它的运动。我们已经从非常小的数据集发展到进行以前无法进行的大规模分析,以了解银河系的结构。

Nyx的发现将这两个主要的天体物理学项目结合起来,并使用深度学习方法对它们进行分析。

在模拟和天空调查所解决的问题中有一个是:银河系是如何变成今天的样子的?

星系是通过吞并其他星系而形成的。Necib说。我们假设银河系有一段悄无声息的合并历史,有一段时间我们都在担心它有多悄无声息,因为我们的模拟显示了大量的合并。现在,由于有机会接触到许多较小的建筑,我们知道它并没有看上去那么安静。拥有所有这些工具、数据和模拟是非常强大的。所有这些方法必须同时使用才能解决这个问题。我们正处于能够真正理解银河系形成的开始阶段。

将深度学习应用于盖亚

一幅包含10亿颗恒星的地图是一件喜忧参半的事情:信息如此之多,却几乎不可能被人类的感知所解析。

以前,天文学家必须做大量的观察和绘图,可能还要使用一些聚类算法。但这已经不可能了。Necib说。我们不能凝视着七百万颗星星,想知道它们在做什么。在这个系列的项目中,我们使用了盖亚模拟目录。

由罗宾·桑德森(宾夕法尼亚大学)开发的盖亚模拟目录,本质上是问:如果火模拟是真实的,并与盖亚一起观察,我们会看到什么?

necibo的合作者Bryan Ostdiek(以前在俄勒冈大学,现在在哈佛大学)曾参与大型强子对撞机(LHC)项目,有使用机器和深度学习处理大型数据集的经验。将这些方法移植到天体物理学中,打开了探索宇宙的新途径的大门。

在大型强子对撞机上,我们进行了令人难以置信的模拟,但我们担心经过训练的机器可能会学习模拟,而不是真正的物理,奥斯迪克说。以类似的方式,火星系提供了一个美妙的环境来训练我们的模型,但他们不是银河系。我们不仅要学习什么可以帮助我们在模拟中识别有趣的恒星,还要学习如何将其推广到我们真实的星系中。

研究小组开发了一种追踪虚拟星系中每颗恒星运动的方法,并将这些恒星标记为要么诞生于宿主星系,要么是星系合并的产物。这两种类型的恒星有着不同的特征,尽管它们之间的差异通常很微妙。这些标签被用来训练深度学习模型,然后在其他火灾模拟中进行测试。

建立目录后,他们将其应用于盖亚的数据。我们问神经网络,根据你已经知道的,你能给这些星星贴上标签吗?Necib说。

该模型在0到1的范围内对是否有一颗恒星诞生于银河系以外进行了排序。团队创建了一个容忍错误的截止点,并开始研究结果。

这种将在一个数据集上训练的模型应用到另一个与之相关的数据集上的方法称为迁移学习,可能会充满挑战。我们需要确保我们不是在学习关于模拟的人工东西,而是在真正的数据中发生了什么,Necib说。为此,我们得给它一点帮助,让它重新衡量某些已知元素,给它一点锚。

他们首先检查它是否能识别银河系的已知特征。这些包括盖亚香肠。本;这是大约60亿到100亿年前与银河系合并的一个矮星系的残骸,它有着独特的香肠状轨道形状。

它有一个非常特殊的签名,她解释道。如果神经网络按照它应该的方式工作,我们就会看到这个我们已经知道的巨大结构。

盖亚香肠就在那儿,恒星晕也在那儿。银河系的背景恒星揭示了它的形状。还有Helmi星系,它是另一个已知的矮星系,在遥远的过去与银河系合并,于1999年被发现。

第一次见到:尼克斯

该模型在分析中确定了另一种结构:一个由250颗恒星组成的星团,与银河系的圆盘一起旋转,但也向星系中心移动。

你的第一直觉是你有问题,Necib讲述。你就会说,哦,不!因此,我有三个星期没有告诉我的任何合作者。然后我开始意识到这不是bug,而是真实存在的,而且是全新的。

但是如果它已经被发现了呢?你开始翻阅文献,确定没人看过它,幸运的是,没人看过。所以我给它命名,这是天体物理学中最令人兴奋的事情。我称它为尼克斯,希腊的夜之女神。这种特殊的结构非常有趣,因为如果没有机器学习,就很难看到它。

该项目在许多不同阶段都需要高级计算。火和更新后的火-2模拟是迄今为止所尝试的最大的星系计算机模型之一。九个主要模拟中的每一个;三个独立的星系组成,每个对太阳的出发点略有不同。花了几个月的时间在世界上最大最快的超级计算机上进行计算。其中包括国家超级计算应用中心(NCSA)的蓝色水域,美国宇航局的高端计算设施,以及最近在德克萨斯州高级计算中心(TACC)的stampedef。

研究人员使用俄勒冈大学的集群来训练深度学习模型,并将其应用于Gaia的大量数据集。他们目前正在使用世界上最快的大学系统Frontera来继续这项工作。

关于这个项目的一切都是非常密集的计算,如果没有大规模的计算,就不可能发生。Necib说。

未来的步骤

Necib和她的团队计划使用地面望远镜进一步探索尼克斯。这将提供关于这条流的化学组成的信息,以及其他细节,这些将帮助他们确定尼克斯到达银河系的日期,并可能提供它来自哪里的线索。

2021年盖亚的下一个数据发布将包含目录中大约1亿颗恒星的额外信息,使更多的累加星团的发现成为可能。

盖亚任务开始时,天文学家们就知道这是他们将要获得的最大的数据集之一,有很多令人兴奋的东西,Necib说。但是我们需要改进我们的技术来适应数据集。如果我们不改变或更新我们的方法,我们就会错过数据集中的物理数据。

加州理工团队这种方法的成功可能会产生更大的影响。我们正在开发可用于许多研究领域和非研究相关事物的计算工具。她说。总的来说,这就是我们推进技术前沿的方式。

参考译文:在太阳附近有大量正向恒星流的证据作者:Lina Necib, Bryan Ostdiek, Mariangela Lisanti, Timothy Cohen, Marat Freytsis, Shea Garrison-Kimmel, Philip F. Hopkins, Andrew Wetzel和Robyn Sanderson,自然天文学,2020年7月6日。

DOI: 10.1038 / s41550 - 020 - 1131 - 2

您可能还会对下面的文章感兴趣: