从盖亚DR3数据中确定的特别贫金属的巨星地图，该地图显示，作为一个集中区域（用圆环标记），银河系“可怜的老心脏”的恒星。该地图显示整个夜空的方式与世界某些地图显示地球表面的方式相同。地图的中心是朝向我们银河系中心的方向。学分：H.-W.里克斯/MPIA

　　一组MPIA天文学家设法确定了“银河系可怜的旧心脏” - 我们银河系最早历史遗留下来的恒星群，位于我们银河系的核心区域。

　　对于这一“银河考古学”的壮举，研究人员分析了最近发布的欧空局盖亚任务的数据，使用神经网络提取我们银河系内部区域两百万颗明亮巨星的金属量。对这些恒星的探测，以及它们观测到的特性，为我们银河系最早历史的宇宙学模拟提供了可喜的佐证。

　　我们的家乡银河系在几乎整个宇宙历史中逐渐形成，跨越了130亿年。在过去的几十年里，天文学家设法重建了银河系历史的不同时代，就像考古学家重建城市历史一样：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较旧的建筑风格意味着它们已经出现过，就像在其他（因此更新的）结构下发现残余物的情况一样。最后但并非最不重要的一点是，空间格局很重要——对于许多城市来说，将有一个中心老城区，周围环绕着明显较新的地区。

　　对于星系，特别是我们的家乡星系，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，天文学家可以精确地推断出它们的年龄。例如，所谓的次巨星就是如此，这是恒星演化的短暂阶段，恒星的亮度和温度可以用来推断它的年龄。

　　更一般地说，对于几乎所有的恒星来说，都有一种“建筑风格”可以对年龄进行一般判断：恒星所谓的金属量，定义为恒星大气中含有的比氦重的化学元素的数量。这些元素，天文学家称之为“金属”，通过核聚变在恒星内部产生，并在恒星生命的接近或结束时释放 - 有些当低质量恒星的大气层分散时，较重的元素在高质量恒星爆炸为超新星时更猛烈。这样，每一代恒星都会“播种”形成下一代恒星的星际气体，一般来说，每一代恒星的金属量都会比其他恒星高。

　　至于更大规模的结构，就像在城市中一样，空间分布很重要。但鉴于星系不像城市那样静态——建筑物通常不会四处移动，而恒星会——运动模式也会编码重要的信息。银河系恒星可能被限制在中心区域，或者它们可能是银河系薄盘或厚盘中有序旋转运动的一部分。否则，它们可能会构成我们银河系扩展的恒星光环的混乱轨道的一部分 - 包括非常古怪的恒星，它们反复穿过内部和外部区域。

　　在城市可能经历建设热潮或密集改造时期的地方，星系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，这些氢气是星系制造新恒星的原材料。一个星系的历史始于较小的原星系：大爆炸后不久的过度密集区域，气体云坍缩形成恒星。

　　因此，原星系碰撞并合并，它们形成更大的星系。在这些稍大的物体上添加另一个原星系，即一个飞得足够偏离中心的原星系（“大轨道角动量”），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”），它们的储层将升温，形成一个复杂的椭圆星系，将缺乏新的恒星形成与现有旧恒星的复杂轨道模式相结合。

　　重建这种历史是将越来越丰富的观察与越来越复杂的模拟相结合的问题。虽然星系形成和演化时发生的事情的总体情况已经存在了几十年，但细节只是最近才出现 - 这在很大程度上要归功于产生更好，更全面的数据的调查。

　　我们的家乡银河系在这方面起着特殊的作用。根据定义，这是我们可以最好和最详细地检查其恒星的星系。银河考古学被定义为对我们家乡星系历史的研究，不仅使我们能够重建我们自己更广泛的历史的一部分，还可以了解一般的星系演化（“局部宇宙学”）。

　　银河系考古学的这一特殊事件始于 2022 年春季发表的重建：MPIA 研究人员 Maosheng Xiang 和 Hans-Walter Rix 利用来自欧空局盖亚卫星和 LAMOST 光谱调查的数据，在前所未有的 250，000 个所谓次巨星样本中确定了恒星的年龄。从这一分析中，天文学家已经能够重建110亿年前银河系令人兴奋的青少年时期以及随后更稳定（或无聊）的成年期的后果。

　　（青少年时期恰逢另一个星系盖亚土卫二/香肠的最后一次重大合并，其残余物于2018年被发现，与银河系合并。它引发了密集恒星形成的阶段，并导致了我们今天可以看到的相对较厚的恒星盘。成年期由适度流入的氢气组成，这些氢气沉淀在我们银河系延伸的薄盘中，在数十亿年的时间里缓慢但持续地形成新恒星。

　　天文学家当时注意到的是，他们青少年样本中最古老的恒星已经具有相当大的金属量，大约是我们太阳金属量的10%。显然，在这些恒星形成之前，一定有更早的恒星用金属污染了星际介质。

　　事实上，这些前几代人的存在与模拟宇宙历史的预测是一致的。此外，这些模拟预测了可以合理地找到这些前几代的幸存代表。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，这些星系在附近形成，然后相互合并，它们的恒星稳定为一个相对紧凑的核心，直径不超过几千光年。

　　后来增加的较小星系将导致各种盘结构和晕的产生。但根据模拟，预计初始核心的一部分将相对毫发无损地在这些后来的发展中幸存下来。应该有可能从最初的紧凑核心，银河系的古老心脏，即使在数十亿年后的今天和附近找到我们银河系的中心区域。

　　在这一点上，Rix对如何从我们银河系的古老核心中实际找到恒星产生了兴趣。但他知道，要想出几十颗这样的恒星，他需要一种新的观测策略。之前研究中使用的LAMOST望远镜，由于其在地球上的位置以及无法在夏季的季风月份进行观测，根本无法观测银河系的核心区域。而次巨星，作为之前选择的探测器，太暗了，无法在大约7000光年的距离之外观察到，这使得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，还有更一般的恒星金属量指标 - “不同的建筑风格”，允许人们将恒星分为更老和更年轻。令人高兴的是，2022 年 6 月，欧空局盖亚任务的数据发布 3 （DR3） 到来了。自2014年以来，盖亚一直在测量超过十亿颗恒星的高度精确的位置和运动参数，包括距离，彻底改变了（以及其他子领域）银河天文学。DR3是第一个包含盖亚观测到的一些实际光谱的数据发布：2.2亿个天体的光谱。

　　光谱是天文学家找到有关恒星大气化学成分的信息的地方，包括金属量。但是，虽然盖亚的光谱质量很高，而且数量无与伦比，但光谱分辨率 - 物体的光按波长分成基本彩虹颜色的精细程度 - 在设计上相对较低。从盖亚数据中提取可靠的金属量值需要额外的分析，这就是MPIA的盖亚研究员Hans-Walter Rix和René Andrae与哈佛大学来访的暑期学生Vedant Chandra在一个项目中解决的问题。

　　由于他们知道他们的分析需要到达银河系的核心区域，三位天文学家专门研究了盖亚样本中的红巨星。典型的红巨星比次巨星亮一百倍，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，即编码其金属性的光谱特征相对明显，使它们特别适合天文学家正在计划的那种分析。

　　对于分析本身，天文学家转向机器学习方法。到目前为止，许多人已经遇到了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ChatGPT，它可以或多或少地回答问题并满足写作请求。机器学习的关键属性是解决方案策略没有显式编程。相反，该算法的核心是一个所谓的神经网络，与人类大脑中神经元的排列方式具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联系，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盖亚光谱作为输入进行训练 - 特别是：盖亚光谱，其正确答案，金属量，已经从另一项调查中知道（APOGEE，高分辨率光谱观测作为斯隆数字巡天[SDSS]的一部分）。网络的内部结构经过调整，因此，至少对于训练集，它可以再现正确的金属量。

　　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”——它的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，首先，Andrae，Chandra和Rix只在一半的APOGEE数据上训练了他们的神经网络。在第二步中，该算法被设置为与其他APOGEE数据一起证明其价值 - 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量，即使是它以前从未遇到过的恒星。

　　现在，研究人员不仅训练了他们的神经网络，而且还确保它可以获得在训练过程中没有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红巨星盖亚光谱数据集。一旦结果出来，研究人员就可以获得前所未有的精确金属量样本，其中包括内星系中的200万个明亮的巨星。

　　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称之为“可怜的老心脏”的恒星群体，因为它们的金属量低，推断年龄和中心位置。在天空地图上，这些恒星似乎集中在银河系中心周围。盖亚方便地提供的距离（通过视差方法）允许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。

　　这些恒星巧妙地补充了Xiang和Rix早期对银河系青少年时期的研究：它们具有恰到好处的金属量，可以产生那些后来形成银河系厚盘的恒星中最贫金属的恒星。由于早期的研究提供了厚盘形成的年表，这使得银河系的古老心脏比大约125亿年更古老。

　　对于有APOGEE光谱的一小部分天体，可以更进一步：这些光谱产生了这个子集中可怜的老心脏恒星的额外特性，特别是氧，硅和氖等元素的丰度。这些元素可以通过在称为“α增强”的过程中连续向现有原子核中添加α粒子（氦-4原子核）来获得。它们如此数量的存在表明，早期恒星从环境中获得金属，其中通过大质量恒星的超新星爆炸在相对较短的时间内产生较重的元素。

　　这与这些恒星在前几个原星系合并形成银河系的初始核心后直接形成更加一致，而不是已经存在于形成银河系初始核心或之后与银河系合并的矮星系中。它再次证实了宇宙学模拟对我们银河系最早历史的看法。

　　虽然从盖亚的全球视角获得的信息在证明我们银河系“可怜的老心脏”的继续存在方面是开创性的，但这一发现立即使天文学家想要了解更多：能否获得更多甚至所有这些恒星的更详细的光谱，从而可以更详细地分析它们的化学成分？它们是否都显示出阿尔法增强，与它们在银河系初始核心的形成一致？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是合作伙伴，后续光谱有望使该小组获得回答这些关键问题所需的信息。

　　如果事情进展得特别顺利，额外的数据甚至可能让研究人员确定核心区域中的哪些恒星属于银河系的哪个前身星系：对于一颗较老的恒星，比如那些在可怜的老心脏中的恒星，关于化学成分和温度的额外数据可以可靠地估计恒星的光度。通过与天空中那颗恒星的亮度进行比较，人们可以推断出恒星的距离——一颗恒星离得越远，它对我们来说就越暗淡。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视差测量的结果要精确得多。

　　恒星在天空中的位置和距离的组合为我们提供了恒星在银河系中的三维位置。关于恒星朝向或远离我们的运动的信息 - 通过其光谱线的多普勒频移测量 - 结合它们在天空中的明显运动，可以重建我们银河系内的恒星轨道。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体，每个群体都有自己的运动模式，那么这些群体很可能对应于不同的两个或三个祖先星系，这些星系最初的合并创造了古老的银河系。

　　这里描述的结果已发表在《天体物理学杂志》上，名为Hans-Walter Rix等人，“银河系的可怜老心脏”。