Met behulp van software die een menselijk brein nabootst, ESA's Gaia-satelliet zag zes sterren die met hoge snelheid van het centrum van ons melkwegstelsel naar de buitenwijken vlogen. Dit zou belangrijke informatie kunnen opleveren over enkele van de meest obscure gebieden van de Melkweg.

Ons galactische thuis, De melkweg, herbergt meer dan honderd miljard sterren, allemaal bij elkaar gehouden door de zwaartekracht. De meeste bevinden zich in een afgeplatte structuur - de galactische schijf - met een uitstulping in het midden, terwijl de overige sterren zijn verdeeld in een bredere bolvormige halo die zich uitstrekt tot ongeveer 650 000 lichtjaar van het centrum.

Sterren zijn niet bewegingloos in de melkweg, maar bewegen rond het centrum met een verscheidenheid aan snelheden, afhankelijk van hun locatie - bijvoorbeeld, de zon draait met ongeveer 220 km/s, terwijl het gemiddelde in de halo ongeveer 150 km/s is.

Zo nu en dan, een paar sterren overschrijden deze toch al behoorlijk indrukwekkende snelheden.

Sommige worden versneld door een close stellaire ontmoeting of de supernova-explosie van een stellaire metgezel, resulterend in weggelopen sterren met snelheden tot een paar honderd km/s boven het gemiddelde.

Iets meer dan tien jaar geleden werd een nieuwe klasse hogesnelheidssterren ontdekt. Dwars door de melkweg met honderden km/s, ze zijn het resultaat van eerdere interacties met het superzware zwarte gat dat zich in het centrum van de Melkweg bevindt en, met een massa van vier miljoen zonnen, regelt de banen van sterren in zijn omgeving.

"Deze hypervelocity-sterren zijn extreem belangrijk om de algehele structuur van onze Melkweg te bestuderen, " zegt Elena Maria Rossi van de Universiteit Leiden in Nederland, die Gaia's ontdekking van zes nieuwe van dergelijke sterren vandaag presenteerde tijdens de Europese Week van Astronomie en Ruimtewetenschap in Praag, Tsjechië.

"Dit zijn sterren die grote afstanden door het melkwegstelsel hebben afgelegd, maar die teruggevoerd kunnen worden tot in de kern - een gebied dat zo dicht en verduisterd is door interstellair gas en stof dat het normaal gesproken heel moeilijk te observeren is - en daarom leveren ze cruciale informatie over het zwaartekrachtsveld van de Melkweg van het centrum naar de buitenwijken."

Helaas, snel bewegende sterren zijn extreem moeilijk te vinden in de stellaire hooiberg van de Melkweg, aangezien de huidige onderzoeken de snelheid van hoogstens een paar honderdduizenden sterren aangeven.

Om ze te vinden, wetenschappers zijn op zoek naar jonge, massieve sterren die zouden opvallen als indringers in de oude sterrenpopulatie van de galactische halo. Weggegeven door hun out-of-place leeftijd, deze sterren hebben waarschijnlijk een extra kick gekregen om de halo te bereiken. Verdere metingen van hun snelheden en schattingen van hun paden in het verleden kunnen bevestigen of het inderdaad hypervelocity-sterren zijn die van het centrum van de Melkweg zijn weggeduwd.

Tot dusver, slechts 20 van dergelijke sterren zijn gespot. Door de specifieke keuze voor deze methode, dit zijn allemaal jonge sterren met een massa van 2,5 tot 4 keer die van de zon. Echter, wetenschappers geloven dat veel meer sterren van andere leeftijden of massa's door de melkweg razen, maar door dit soort zoekopdrachten niet worden onthuld.

De telling van miljarden sterren die door Gaia wordt uitgevoerd, biedt een unieke kans, dus begonnen Elena en haar medewerkers zich af te vragen hoe ze zo'n enorme dataset konden gebruiken om het zoeken naar snel bewegende sterren te optimaliseren.

Na het testen van verschillende methoden, ze wendden zich tot software waarmee de computer leert van eerdere ervaringen.

"Uiteindelijk, we kozen ervoor om een ​​kunstmatig neuraal netwerk te gebruiken, dat is software die is ontworpen om na te bootsen hoe onze hersenen werken, " legt Tommaso Marchetti uit, Promovendus aan de Universiteit Leiden en hoofdauteur van het artikel waarin de resultaten worden beschreven die zijn gepubliceerd in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

"Na een goede 'training', het kan leren bepaalde objecten of patronen in een enorme dataset te herkennen. In ons geval, we hebben het geleerd om hypervelocity-sterren te spotten in een sterrencatalogus zoals die is samengesteld met Gaia."

Als onderdeel van Elena's onderzoeksproject om deze sterren te bestuderen, het team is in de eerste helft van 2016 begonnen met het ontwikkelen en trainen van dit programma, om een ​​paar maanden later klaar te zijn voor de eerste release van Gaia-gegevens, op 14 sept.

Naast een kaart van meer dan een miljard stellaire posities, deze eerste release bevatte een kleinere catalogus met afstanden en bewegingen voor twee miljoen sterren, observaties van Gaia's eerste jaar combineren met die van ESA's Hipparcos-missie, die meer dan twee decennia geleden de hemel in kaart bracht. Aangeduid als de Tycho-Gaia astrometrische oplossing, of TGAS, deze bron is een voorproefje van toekomstige catalogi die uitsluitend gebaseerd zullen zijn op Gaia-gegevens.

"Op de dag van de publicatie van de gegevens, we hebben ons gloednieuwe algoritme uitgevoerd op de twee miljoen sterren van TGAS, ' zegt Elena.

"Over een uurtje het kunstmatige brein had de dataset al teruggebracht tot zo'n 20 000 potentiële hogesnelheidssterren, het verminderen van de omvang tot ongeveer 1%.

"Een verdere selectie met alleen metingen boven een bepaalde precisie in afstand en beweging bracht dit terug naar 80 kandidaat-sterren."

Het team heeft deze 80 sterren nader bekeken. Aangezien alleen informatie over de beweging van de ster aan de hemel is opgenomen in de TGAS-gegevens, ze moesten extra aanwijzingen vinden om hun snelheid af te leiden, kijken naar eerdere sterrencatalogi of nieuwe waarnemingen doen.

"Door al deze gegevens te combineren, we ontdekten dat zes sterren terug te voeren zijn op het galactische centrum, allemaal met snelheden boven 360 km/s, ' zegt Tommaso.

Het belangrijkste is, de wetenschappers zijn erin geslaagd een andere populatie te onderzoeken dan de 20 sterren die al bekend waren:de nieuw geïdentificeerde sterren hebben allemaal een lagere massa, vergelijkbaar met de massa van onze zon.

Een van de zes sterren lijkt zo snel te gaan, bij meer dan 500 km/s, dat het niet langer gebonden is aan de zwaartekracht van de melkweg en uiteindelijk zal vertrekken. Maar de andere, iets langzamere sterren, zijn misschien nog fascinerender, omdat wetenschappers graag willen weten wat hen vertraagde - de onzichtbare donkere materie waarvan wordt gedacht dat deze de Melkweg doordringt, kan ook een rol hebben gespeeld.

Hoewel het nieuwe programma is geoptimaliseerd om te zoeken naar sterren die in het centrum van de melkweg zijn versneld, het identificeerde ook vijf van de meer traditionele weggelopen sterren, die hun hoge snelheden te danken hebben aan ontmoetingen met sterren elders in de Melkweg.

"Dit resultaat toont het grote potentieel van Gaia en opent nieuwe wegen om de structuur en dynamiek van onze melkweg te onderzoeken, " zegt Anthony Brown van de Universiteit Leiden, een co-auteur van de studie en voorzitter van het Gaia Data Processing and Analysis Consortium.

De wetenschappers kijken uit naar het gebruik van gegevens van de volgende Gaia-release, die is gepland voor april 2018 en afstanden en bewegingen aan de hemel zal omvatten voor meer dan een miljard sterren, evenals snelheden voor een subset.

Omgaan met een miljard sterren, in plaats van de twee miljoen die tot nu toe zijn onderzocht, is een enorme uitdaging, dus het team is bezig hun programma te upgraden om zo'n enorme catalogus aan te kunnen en om de vele snelheidssterren te ontdekken die op de loer zullen liggen in de gegevens.

"Het enorme aantal sterren dat door Gaia is onderzocht, is een opwindende maar ook uitdagende kans voor astronomen, en we zijn blij om te zien dat ze de uitdaging graag aangaan, " zegt Timo Prusti, Gaia-projectwetenschapper bij ESA.