Artificial intelligence finds the first stars were not alone.

ทีมนักวิจัย Kavli IPMU พัฒนาการตรวจสอบดาวฤกษ์ ในซุปเปอร์โนวาต่างๆ ในเอกภพ โดยใช้ machine learning และ state-of-the-art supernova nucleosynthesis ทีมงานใช้ปัญญาประดิษฐ์ในการวิเคราะห์ หาความอุดมสมบูรณ์ของธาตุในดาวที่ขาดแคลนโลหะอย่างยิ่งยวดกว่า 450 ดวง ที่สำรวจจนถึงปัจจุบัน โดยพบว่า 68% ของดาวเหล่านี้มีลักษณะเฉพาะทางเคมี ที่สอดคล้องกับดาวฤกษ์จากซุปเปอร์โนวาหลายดวง ที่รวยคข้อมูลไว้ก่อนหน้านี้

ผลลัพธ์จากงานวิจัย ให้ข้อจำกัดเชิงปริมาณในครั้งแรก จากการสังเกตการณ์ ดาวฤกษ์จำนวนหลายหลากของดาวฤกษ์ดวงแรก ซึ่งบ่งชี้ว่าดาวฤกษ์ดวงแรกส่วนใหญ่ ก่อตัวขึ้นในกระจุกดาวขนาดเล็ก สามารถนำไปสู่การเพิ่มทรัพยากรโลหะได้

A team of researchers has found that the majority of observed second-generation stars in the universe were enriched by multiple supernovae, using machine learning and state-of-the-art supernova nucleosynthesis. The team used artificial intelligence to analyze elemental abundances in more than 450 extremely metal-poor stars observed to date, finding that 68% of them had a chemical fingerprint consistent with enrichment by multiple previous supernovae. Their results provide the first quantitative constraint based on observations on the multiplicity of the first stars, suggesting that most first stars formed in small clusters so that multiple of their supernovae can contribute to the metal enrichment of the early interstellar medium.

นักวิจัยใช้ AI หาลักษณะเฉพาะทางเคมีของดาวฤกษ์เกิดใหม่ เพื่อค้นหาทรัพยากรได้

ภาพที่ 1 แผนผังแสดงซูเปอร์โนวาของดาวฤกษ์ดวงแรกและสเปกตรัมที่สังเกตได้ของดาวฤกษ์ที่มีธาตุโลหะน้อยมาก การดีดออกจากซุปเปอร์โนวาทำให้ก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซฮีเลียมบริสุทธิ์มีองค์ประกอบหนักในเอกภพ (วัตถุสีฟ้า สีเขียว และสีม่วงล้อมรอบด้วยเมฆของวัตถุที่พุ่งออกมา) หากดาวฤกษ์ดวงแรกเกิดเป็นระบบดาวฤกษ์หลายดวงแทนที่จะเป็นดาวฤกษ์ดวงเดียวที่แยกตัวออกมา ธาตุต่างๆ ที่ถูกขับออกจากซุปเปอร์โนวาจะถูกผสมเข้าด้วยกันและรวมเข้าเป็นดาวฤกษ์รุ่นต่อไป ความอุดมสมบูรณ์ของสารเคมีที่มีลักษณะเฉพาะในกลไกดังกล่าวถูกรักษาไว้ในชั้นบรรยากาศของดาวฤกษ์มวลต่ำอายุยืนที่สังเกตพบในกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา ทีมคิดค้นอัลกอริทึมการเรียนรู้ด้วยเครื่องเพื่อแยกแยะว่าดาวที่สังเกตได้ก่อตัวขึ้นจากการดีดของซูเปอร์โนวาเดี่ยว (ดาวสีแดงขนาดเล็ก) หรือหลายดวง (ดาวสีน้ำเงินขนาดเล็ก) ก่อนหน้านี้ โดยพิจารณาจากความอุดมสมบูรณ์ขององค์ประกอบที่วัดได้จากสเปกตรัมของดวงดาว เครดิต: Kavli IPMU

ด้วยการใช้แมชชีนเลิร์นนิง และ state-of-the-art supernova nucleosynthesis  ทีมนักวิจัยพบว่า ในหลายซูเปอร์โนวา ดาวฤกษ์รุ่นที่สองนั้น จะพบทรัพยากรเป็นจำนวนมาก การค้นพบของพวกเขาได้รับการรายงานใน The Astrophysical Journal 

การวิจัยฟิสิกส์ดาราศาสตร์นิวเคลียร์ ได้แสดงให้เห็นองค์ประกอบดาวฤกษ์ในเอกภพที่เกิดใหม่ มีองค์ประกอบที่หนักกว่าคาร์บอน แต่ดาวฤกษ์ดวงแรก ซึ่งเป็นดาวฤกษ์ ที่เกิดหลังจากบิกแบงไม่นาน ไม่มีความอุดมสมบูรณ์ของธาตุต่างๆ ไม่มีธาตุหนัก ซึ่งนักดาราศาสตร์ เรียกว่า “metal-โลหะ” ดาวฤกษ์รุ่นต่อไป จึงมีธาตุหนักเพียงเล็กน้อย ที่เกิดจากดาวดวงแรก เพื่อให้เข้าใจเอกภพตั้งแต่ยังเกิดใหม่ นักวิจัยจำเป็นต้องศึกษาดาวฤกษ์ที่ขาดแคลนโลหะเหล่านี้

โชคดีที่ดาวฤกษ์รุ่นที่สอง ที่ขาดแคลนโลหะเหล่านี้ ถูกพบในกาแลคซีทางช้างเผือกของเรา และได้รับการศึกษาโดยทีมงานของสมาชิกในเครือของ Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) เพื่อเข้าใกล้ในทางกายภาพ คุณสมบัติของดาวดวงแรกในจักรวาล 

ทีมงานนำโดย Kavli IPMU Visiting Associate Scientist และ The University of Tokyo Institute for Physics of Intelligence ผู้ช่วยศาสตราจารย์ Tilman Hartwig รวมถึงรองนักวิทยาศาสตร์รับเชิญและ National Astronomical Observatory of Japan ผู้ช่วยศาสตราจารย์ Miho Ishigaki นักวิทยาศาสตร์อาวุโสรับเชิญและศาสตราจารย์ Chiaki Kobayashi แห่งมหาวิทยาลัย Hertfordshire ศาสตราจารย์โนโซมุ โทมินางะ นักวิทยาศาสตร์อาวุโสและหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์แห่งชาติของญี่ปุ่น และศาสตราจารย์กิตติคุณเคนอิจิ โนโมโตะ นักวิทยาศาสตร์อาวุโสและศาสตราจารย์เกียรติคุณมหาวิทยาลัยโตเกียว เคนอิจิ โนโมโตะ ได้ใช้ปัญญาประดิษฐ์เพื่อวิเคราะห์ความอุดมสมบูรณ์ขององค์ประกอบ ในดาวฤกษ์ที่มีโลหะน้อยอย่างมาก จำนวนกว่า 450 ดวง ที่สำรวจจนถึงปัจจุบัน 

จากอัลกอริธึมแมชชีนเลิร์นนิง ที่ได้รับการดูแลซึ่งพัฒนาขึ้นใหม่ ซึ่งได้รับการฝึกฝนในแบบจำลอง state-of-the-art supernova nucleosynthesis ตามทฤษฎี พวกเขาพบว่า 68% ของดาวฤกษ์ที่มีธาตุโลหะน้อยมาก ที่สังเกตได้มีสารเคมีในลักษณะเฉพาะที่สอดคล้องกับการเสริมสมรรถนะของหลายซูเปอร์โนวา ก่อนหน้านี้ ผลลัพธ์ของทีมให้ข้อจำกัดเชิงปริมาณแรก ตามการสังเกตเกี่ยวกับหลายหลากของดาวฤกษ์ดวงแรก

รูปที่ 2 ความอุดมสมบูรณ์ของคาร์บอนเทียบกับธาตุเหล็กของดาวที่มีธาตุโลหะน้อยมาก (EMP) แถบสีแสดงความน่าจะเป็นของการเพิ่มคุณค่าแบบโมโนจากอัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่องของเรา ดาวฤกษ์ที่อยู่เหนือเส้นประ (ที่ [C/Fe] = 0.7) เรียกว่าดาวฤกษ์ที่มีธาตุโลหะต่ำที่เสริมด้วยคาร์บอน (CEMP) และดาวฤกษ์ส่วนใหญ่มีธาตุเหล็กเสริมธาตุเดียว เครดิต: Hartwig et al.

Hartwig ผู้เขียนหลักกล่าวว่า “ความหลากหลายของดาวดวงแรก ถูกทำนายจากการจำลองเชิงตัวเลขเท่านั้น และไม่มีวิธีใดที่จะตรวจสอบการทำนายเชิงทฤษฎีได้จนถึงตอนนี้” “ผลของเราชี้ให้เห็นว่าดาวฤกษ์ดวงแรกส่วนใหญ่ ก่อตัวขึ้นในกระจุกดาวขนาดเล็ก เพื่อให้ซุปเปอร์โนวาหลายดวงของพวกมันมีส่วนทำให้ธาตุโลหะในอวกาศยุคแรกมีความสมบูรณ์มากขึ้น” เขากล่าว 

“อัลกอริธึมใหม่ของเราเป็นเครื่องมือที่ยอดเยี่ยมในการตีความข้อมูลขนาดใหญ่ ที่เราจะมีในทศวรรษหน้าจากการสำรวจทางดาราศาสตร์ทั่วโลกที่กำลังดำเนินอยู่และในอนาคต” โคบายาชิ นักวิจัยของเลเวอร์ฮูล์มกล่าว 

“ในขณะนี้ ข้อมูลที่มีอยู่ของดาวฤกษ์เก่า เป็นเพียงส่วนยอดของภูเขาน้ำแข็งภายในย่านสุริยะ Prime Focus Spectrograph ซึ่งเป็นสเปกโตรกราฟหลายวัตถุที่ล้ำสมัยบนกล้องโทรทรรศน์ Subaru ที่พัฒนาโดยความร่วมมือระดับนานาชาติที่นำโดย Kavli IPMU คือ เครื่องมือที่ดีที่สุดในการค้นพบดาวฤกษ์โบราณในบริเวณรอบนอกของทางช้างเผือกที่ไกลออกไปนอกย่านสุริยะ” อิชิงากิกล่าว 

อัลกอริทึมใหม่ที่คิดค้นขึ้นในการศึกษานี้ เปิดประตูสู่การใช้ลักษณะเฉพาะทางเคมี ค้นหาดาวที่มีธาตุโลหะต่ำซึ่งค้นพบโดย Prime Focus Spectrograph

รูปที่ 3 (จากซ้าย) Visiting Senior Scientist Ken’ichi Nomoto, Visiting Associate Scientist Miho Ishigaki, Kavli IPMU Visiting Associate Scientist Tilman Hartwig, Visiting Senior Scientist Chiaki Kobayashi, and Visiting Senior Scientist Nozomu Tominaga. Credit: Kavli IPMU, Nozomu Tominaga

“ทฤษฎีของดาวดวงแรก บอกเราว่า ดาวฤกษ์ดวงแรกควรมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ ความคาดหวังตามธรรมชาติคือดาวดวงแรกเกิดในเมฆก๊าซ ที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์หลายล้านเท่า อย่างไรก็ตาม การค้นพบใหม่ของเรา แต่ก่อตัวเป็นส่วนหนึ่งของกระจุกดาวหรือระบบดาวคู่หรือระบบดาวหลายดวงแทน นอกจากนี้ ยังหมายความว่าเราสามารถคาดหวังคลื่นความโน้มถ่วงจากดาวคู่ดวงแรกได้ไม่นานหลังจากบิกแบง สามารถกำหนดภารกิจในอนาคตในอวกาศ หรือบนดวงจันทร์ได้” โคบายาชิกล่าว 

Hartwig ได้จัดทำลักษณะเฉพาะทางเคมี ที่พัฒนาขึ้นในการศึกษานี้เผยแพร่สู่สาธารณะที่ https://gitlab.com/thartwig/emu-c

view original *