Астрономы обычно указывают возраст звезд, которые они изучают. Но методы измерения возраста не являются на 100% точными. Измерение возраста далеких звезд – сложная задача.
Римский космический телескоп Нэнси Грейс должен добиться некоторого прогресса.
Звезды, подобные нашему Солнцу, начинают свою жизнь термоядерного синтеза и очень мало меняются в течение миллиардов лет. Это все равно, что наблюдать за тем, как взрослые люди среднего возраста занимаются своими делами в течение своей трудовой жизни. Они встают, едут на работу, садятся за стол и едут домой.
Но что может измениться со временем, так это скорость их вращения. Солнце теперь вращается примерно раз в месяц. Когда он был впервые сформирован, он вращался быстрее.
Но со временем скорость вращения Солнца и скорость вращения звезд той же массы или меньше, чем у Солнца, замедлится. Замедление вызвано взаимодействием магнитных полей звезды и звездного ветра — потока высокоэнергетических протонов и электронов, испускаемых звездами. Со временем эти взаимодействия уменьшают угловой момент звезды, и ее вращение замедляется. Явление называется «магнитным торможением» и зависит от силы магнитных полей звезды.
Чем быстрее первоначально вращается звезда, тем сильнее ее магнитные поля. Это означает, что они замедляются быстрее. Примерно через один миллиард лет жизни звезды одного возраста и массы будут вращаться с одинаковой скоростью. Как только астрономы узнают массу звезды и скорость вращения, они смогут оценить ее возраст. Знание возраста звезд имеет решающее значение в исследованиях. Это делает все, что делают астрономы, более точным, в том числе собирает воедино историю Млечного Пути.
Проблема в том, что измерение скорости вращения является сложной задачей. Один из методов — наблюдать пятна на поверхности звезд и наблюдать, как они появляются и исчезают из поля зрения. У всех звезд есть звездные пятна, хотя их характеристики весьма различаются. На самом деле у звезд могут быть десятки пятен, и пятна меняют свое местоположение. В этом и заключается трудность. Вычислить периодичность, когда десятки пятен меняют расположение на поверхности звезды, крайне сложно.
Именно здесь на помощь приходит Римский космический телескоп Нэнси Грейс («Роман»). Его запуск запланирован на май 2027 года, чтобы начать свою пятилетнюю миссию. Это широкоугольный инфракрасный обзорный телескоп, преследующий множество научных целей. Одной из его основных программ является исследование временной области галактической выпуклости. Эти усилия позволят собрать подробную информацию о сотнях миллионов звезд в галактической выпуклости Млечного Пути.
Римлянин сгенерирует огромное количество данных. По большей части это будут измерения того, как меняется яркость сотен тысяч звезд. Но чтобы распутать эти измерения и выяснить, что эти изменения яркости означают для вращения звезд, требуется помощь ИИ.
Астрономы из Университета Флориды разрабатывают ИИ для извлечения периодов вращения звезд из всех этих данных.
Закари Клейтор — постдок из Университета Флориды и главный исследователь проекта искусственного интеллекта. Их ИИ называется сверточной нейронной сетью. Этот тип ИИ хорошо подходит для анализа изображений и, среди прочего, используется для классификации изображений и анализа медицинских изображений.
ИИ необходимо обучить, прежде чем он сможет выполнять свою работу. В этом случае Клейтор и его коллеги написали компьютерную программу для создания симулированных кривых блеска звезд, которые ИИ мог бы обработать и извлечь из них уроки.
«Эта программа позволяет пользователю устанавливать ряд переменных, таких как скорость вращения звезды, количество пятен и время жизни пятен. Затем он рассчитает, как пятна возникают, развиваются и распадаются по мере вращения звезды, и преобразует эту эволюцию пятен в кривую блеска — то, что мы будем измерять на расстоянии», — объяснил Клейтор.
Клейтор и его коллеги уже протестировали свой ИИ на данных НАСА TESS, спутника для исследования транзитных экзопланет. Чем больше период вращения звезды, тем труднее его измерить. Но ИИ команды продемонстрировал, что он может успешно определять эти периоды в данных TESS.
Исследование временной области Галактической выпуклости «Римляна» все еще находится в стадии разработки. Таким образом, астрономы могут использовать эти усилия на основе искусственного интеллекта для разработки исследования.
«Мы можем проверить, какие вещи имеют значение и что мы можем извлечь из римских данных в зависимости от различных стратегий опроса. Поэтому, когда мы действительно получим данные, у нас уже будет план», — сказал Джейми Тайар, доцент кафедры астрономии Университета Флориды и главный исследователь программы.
«У нас уже есть много инструментов, и мы думаем, что их можно адаптировать к Роману», — добавила она.
Измерить возраст звезд сложно, однако возраст является ключевым фактором в понимании любой звезды. Астрономы используют различные методы для измерения возраста, включая эволюционные модели, принадлежность звезды к скоплению звезд одинакового возраста и даже наличие протопланетного диска. Но ни один метод не может измерить возраст каждой звезды, и каждый метод имеет свои недостатки.
Если римлянину удастся преодолеть этот барьер и точно измерить скорость вращения звезд, астрономы смогут получить преимущество в понимании возраста звезд. Но есть еще одна проблема: магнитное торможение.
Этот метод основан на четком понимании того, как магнитное торможение работает с течением времени. Но астрономы, возможно, не понимают это так тщательно, как им хотелось бы. Например, исследование 2016 года показало, что магнитное торможение может не замедлять старые звезды так сильно, как предполагалось. Это исследование обнаружило неожиданно высокие скорости вращения у звезд, более развитых, чем наше Солнце.
Каким-то образом астрономы во всем этом разберутся. Римский космический телескоп должен помочь, поскольку его огромный массив данных обязательно приведет к неожиданным выводам. Так или иначе, с помощью Римского космического телескопа, миссии ЕКА «Гайя» и других астрономы распутают проблему измерения всего, что касается звезд, включая их возраст.
