“盖亚”发现银河系超高速恒星 逃离只是时间问题

○o涅槃旋舞o

2013年，欧洲航天局发射“盖亚”卫星。过去的三年半时间里，这个“依巴谷”卫星的继任者一直在收集宇宙数据。“盖亚”将于2018年退役——虽然服役时间也可能延长——所获数据将用于创建迄今为止规模最大、最精确的3D星图。

艺术概念图，展示了一颗超高速恒星逃离银河系的瞬间。
发现超高速恒星
在对宇宙进行观测时，“盖亚”发现了一系列有趣的现象。最近，欧洲的一支研究小组利用专门设计的人工神经网络对“盖亚”获取的数据进行了分析，结果在银河系内发现了六颗超高速恒星，其中一颗速度惊人，最终将逃离银河系。研究论文名为“利用人工神经网络发现超高速恒星：盖亚DR1/TGAS中的候选者”，于近期发表在《皇家天文学会月报》。在6月26日至30日于布拉格举行的欧洲天文学与宇宙学周，科研人员报告了这项研究。
超高速恒星较为罕见，因此受到很多天文学家的追捧。银河系的全部恒星都在不停环绕银河系的中央运转，某些恒星的速度可达到每秒数百公里。过去，天文学家认为，这种快速移动由恒星间较短的距离，或者伴星发生超新星爆发所致。十几年前，天文学家发现了一种新型高速恒星，其速度不断加快，研究者相信原因是与超大质量黑洞（人马座A*）的交互作用。这种恒星对研究银河系的整个结构具有非常重要的意义，因为它们身上隐藏着塑造银河系历史的重要事件和各种力量的线索。
论文合著者、荷兰莱登大学的埃琳娜·玛丽亚·罗西在欧航局的一份新闻稿中指出：“这些恒星虽然在银河系穿行了相当长的距离，但它们的源头可以追溯到银河系的核心。系核是一个致密区，被气体和尘埃遮蔽，通常很难进行观测。对它们进行研究能够获取至关重要的信息，进一步了解从核心到边缘的银河系引力场。”

“盖亚”的艺术概念图，背景为欧洲南方天文台拍摄的银河系照片。
人工神经网络“发威”
寻找高速恒星并非易事，主要原因就在于它们的速度。银河系的银盘广袤而拥挤，极难锁定这些恒星。为了寻找它们的踪迹，科学家另辟蹊径，在银河系的老星族中搜寻年轻的大质量恒星（质量为太阳的2.5到4倍）。“年轻”和“大质量”说明它们可能并非诞生于此。
结合过去的速度和轨迹测算数据，这种方式揭示了超高速恒星的存在。此前，科学家只发现了20颗超高速恒星，均是年轻大质量恒星。科学家认为，更多处于其它年龄和质量段的超高速恒星正不断加速穿行于银河系中，但一直未能发现它们的踪迹。
为了解决这个问题，研究小组——由莱登大学博士生托马索·马尔凯蒂负责——将目光投向“盖亚”的庞大数据集，通过优化搜索发现更多超高速恒星。在对几种方式进行测试之后，他们敲定了人工神经网络（利用机器学习算法），利用它在“盖亚”收集的恒星普查数据中搜寻超高速恒星的踪迹。
2016年上半年，研究小组开始研发和训练人工神经网络，为迎接首批公布的“盖亚”观测数据做好准备。时年9月14日，数据公布。马尔凯蒂表示：“最终，我们决定利用人工神经网络，一种模拟人类大脑工作的软件。在经过适当训练之后，它能够在庞大数据集中识别确定物体或样式。在我们的研究中，我们教会它如何在恒星目录中搜寻超高速恒星，例如利用‘盖亚’编制的目录。”
除了10亿颗恒星方位的地图，首批公布的“盖亚”数据还包括一个较小的目录，涵盖200万颗恒星的距离和运动数据。这个小目录被称之为“第谷-盖亚天体测量解決方案”（TGAS），结合了“盖亚”第一年任务以及“依巴谷”任务获取的数据。

艺术概念图，展示了恒星逃离银河系的瞬间。
普遍性或超出预计
目录公布当天，马尔凯蒂和他的研究小组便运行算法，对TGAS的200万颗恒星进行排查，最终得出了一系列有趣的发现。罗西说：“仅用了一个小时，这个人工大脑便从数据集中发现大约2万颗潜在的高速恒星，将它的规模减少到大约1%。利用精确的距离和运动测量数据，人工大脑进一步筛选，将候选恒星数量减至80颗。”
随后，研究小组对这80颗恒星进行细致分析，将它们的运动数据与其它目录的数据进行比较。通过结合其它观测数据，他们最终锁定了6颗超高速恒星，速度超过每秒360公里。其中一颗的速度更是超过每秒500公里。这意味着它不再受银河系的引力束缚，最终会“逃离”银河系。
此项研究的重要意义在于揭示了这样一个事实，这些超高速恒星与此前发现的20颗不同，它们并非大质量恒星，而是与太阳相当。5颗速度较慢的恒星可能成为研究焦点，科学家希望确定哪些因素延缓了它们的速度。一种可能的解释是，与银河系暗物质间的交互作用扮演了“刹车”角色。
对TGAS目录的研究成果表明，“盖亚”能够为科学家提供庞大而有价值的数据。他们可以利用“盖亚”的数据进行各种研究，从而得出一系列发现。未来，科学家要分析的恒星绝不仅仅是200万颗，而是10亿颗，也注定会得出更多令人兴奋的发现，进一步揭示银河系的动态变化，同时揭开塑造银河系的各种力的神秘面纱。
为了实现这个目标，马尔凯蒂和他的研究小组正对他们的软件进行升级，以便能够处理更为庞大的数据集。2018年4月，“盖亚”的第二批数据将对外公布。这一次的恒星目录不仅涵盖10亿颗恒星的距离和运动数据，同时还包括一个速度数据的特殊子集。利用这些数据，研究小组可能发现逃离银河系的超高速恒星远比此前认为的更为普遍。

“盖亚”的第一幅星空地图。

艺术概念图，展示了甚大望远镜阵列捕捉到的一颗超高速恒星。

来自：漫步宇宙（qqtaikong）