Egzistuoja begalė būdų „būti žvaigžde“, o mokslininkai praleidžia metų metus, bandydami suprasti, kodėl viskas vyksta būtent taip. Vienas iš tokių neįprastų žvaigždžių tipų – vadinamosios karštosios subnykštukės (angl. hot subdwarfs), mažos žvaigždės, kažkodėl degančios karščiau, nei joms derėtų. Vilniaus universiteto (VU) Fizikos bei Matematikos ir informatikos fakultetų mokslininkai, siekiantys suprasti šį keistą reiškinį, visai neseniai padarė keletą itin svarbių proveržių.
Ar žvaigždė gali būti pernelyg keista?
Karštosios subnykštukės – tai itin aukštos temperatūros (20 000–100 000 laipsnių pagal Kelviną) žvaigždės. Jos susidaro iš raudonųjų milžinų šerdžių, kai beveik visas jų vandenilio apvalkalas dingsta – dažniausiai dėl gretimos žvaigždės traukos. Astrofizikams šios žvaigždės yra ypač įdomios, nes padeda geriau suprasti senųjų galaktikų ultravioletinį spinduliavimą, tyrinėti žvaigždžių vidinę sandarą.
Nuo 2013 m. veikianti legendinė kosminė observatorija „Gaia“ per visą šį laikotarpį į duomenų bazę įtraukė daugiau nei pusę milijardo žvaigždžių. Iš jų vos 60 000 priklauso karštųjų subnykštukių klasei. Norint suprasti, kas šias žvaigždes daro tokias neįprastas, reikia pasitelkti standartinę schemą, kurią astronomai naudoja žvaigždėms klasifikuoti. Tai diagrama, kurioje viena ašis žymi temperatūrą, o kita – ryškumą.
„Dauguma žvaigždžių, įskaitant mūsų Saulę, telkiasi plačioje juostoje, vadinamoje pagrindine seka. Tai stabilūs, vandenilį deginantys objektai, esantys savo gyvenimo ciklo viduryje. Karštosios subnykštukės šiam tipui nepriklauso. Jos yra karštos, tačiau ne tokios karštos, kaip priklausančios pagrindinei sekai“, – sako dr. Markus Ambroschas, VU Fizikos fakulteto Astrospektroskopijos ir egzoplanetų grupės mokslininkas.
Kartu su kolegomis jis bando paaiškinti, kodėl šios žvaigždės yra tokios, kokios yra. Pasak dr. Carloso Viscasillo Vázquezo, inicijavusio šį projektą, karštosios subnykštukės yra vieni įdomiausių ir labiausiai intriguojančių astrofizikos objektų, nes jos turi savybių, būdingų daugeliui žvaigždžių tipų, nors pačios ir nepriklauso nė vienam iš jų.
„Jos yra karštos ir mėlynos kaip masyvios O ir B tipo žvaigždės, garsėjančios itin aukšta temperatūra ir ryškiu švytėjimu, tačiau kur kas mažesnės, mažiau ryškios ir be galo tankios. Karštosios subnykštukės – tai atviri žvaigždžių branduoliai, dažniausiai susiformavę tada, kai kita netoliese skriejanti žvaigždė nuplėšia didžiąją dalį žvaigždės išorinio apvalkalo, taip pakeisdama jos evoliucijos kelią“, – aiškina jis.
Tokios „palydovės“ ir yra pagrindinis paaiškinimas, kodėl karštosios subnykštukės iš viso atsirado. Manoma, kad jos susidaro dvinarėse sistemose, kuriose viena masyvesnė žvaigždė virsta raudonąja milžine, o kita lieka tanki su ypač stipriu gravitaciniu lauku. Ši tanki palydovė tuomet nuplėšia milžinės išorinį vandenilio apvalkalą, palikdama tik nuogą branduolį.
Kaip dirbtinis intelektas padeda aptikti karštąsias subnykštukes
Suprasti karštųjų subnykštukių elgseną – tik vienas iš mokslininkų sprendžiamų uždavinių. Ne ką mažiau sudėtingas – jas atpažinti. Karštosios subnykštukės yra itin retos. Paskutiniame „Gaia“ duomenų rinkinyje buvo vos 60 000 galimų kandidačių. Palyginimui: šiuo teleskopu iš viso užfiksuota apie 2 mlrd. žvaigždžių. Tyrėjų grupė nagrinėjo trečdalį iš jų, priklausančių XP spektrui (taip pavadinti „Gaia“ teleskopu gaunami spektrai).
Įprastas metodas – modelius pritaikyti kiekvienai žvaigždei atskirai, derinant temperatūras ir tikrinant atitiktį – karštųjų subnykštukių atveju netiko. Tam, kad įmintų šią mįslę, mokslininkų komanda sukūrė specialų mašininio mokymosi algoritmą. Sistemai buvo pateikta informacija apie 2 500 žvaigždžių su jau žinoma klasifikacija. Taip apmokytas dirbtinis intelektas likusias 17 500 nežinomų žvaigždžių identifikavo per kelias sekundes.
„Dirbtinis intelektas tai padaryti išmoko pats, be jokių formulių. Pradžioje jis nežinojo nieko apie fiziką – mokėsi nuo nulio. Tačiau mašininio mokymosi principai puikiai suveikė – sistema pati pradėjo suprasti, kuri žvaigždžių skleidžiamos šviesos spektro dalis yra svarbi, ir atpažinti karštąsias žvaigždes nykštukes. Šis procesas mus labai džiugina – algoritmas priėjo prie tų pačių išvadų, prie kurių būtume priėję ir mes“, – sako dr. M. Ambroschas.
Jis pabrėžia, kad vienas smagiausių šio projekto aspektų buvo galimybė prie algoritmo tobulinimo dirbti su skirtingų sričių kolegomis. Pavyzdžiui, be Matematikos ir informatikos fakulteto mokslininko dr. Aido Medžiūno indėlio sklandus dirbtinio intelekto apmokymas, ko gero, nebūtų buvęs įmanomas.
„Sutelkėme dėmesį į efektyvesnį XP „Gaia“ spektrų duomenų bazės panaudojimą, taikydami glodinimo ir dimensijos mažinimo metodus. Taip pat pasitelkėme funkcinio mašininio mokymosi metodus. Tai mums leido pagerint modelių interpretuojamumą. Visas šis procesas buvo labai įdomus iššūkis“, – tikina dr. A. Medžiūnas.
Bendradarbiavimo dvasia
Ana Ulla, viena pagrindinių tyrimo komandos narių, Vigo universiteto profesorė ir „Gaia“ duomenų apdorojimo bei analizės konsorciumo narė, viena žinomiausių šios srities eksperčių, jau daugiau nei 30 metų tirianti karštąsias subnykštukes, pabrėžia proceso daugiadalykiškumo svarbą.
„Šis bendradarbiavimas nuo pačių pradžių buvo ypač daug žadantis, nes susiformavo komanda, kurios nariai puikiai papildo vienas kitą, sujungia patirtis iš daugelio sričių. Man tai gražus pavyzdys, kaip mokslinės idėjos keliauja, tobulėja ir prigyja naujose vietose. Šis bendradarbiavimas tapo tikra sėkmės istorija“, – įsitikinusi ji.
Tai, kas prasidėjo kaip nauja ir drąsi tyrimų kryptis, greitai virto tikra sėkmės istorija. Per nepaprastai trumpą laiką komanda publikavo mokslinius straipsnius, gavo dvi dotacijas, užmezgė tvirtus tarptautinius ryšius ir pirmą kartą Lietuvos istorijoje stebėjo karštąsias žvaigždes nykštukes VU Molėtų astronomijos observatorijoje.
„Šis tyrimas man buvo įdomus dėl sudėtingos karštųjų žvaigždžių nykštukių prigimties. Jos pasižymi savybių deriniu, dėl kurio jas sunku analizuoti. Tačiau būtent šis iššūkis daro darbą vertą pastangų. Kiekvienas naujas atradimas atveria tolesnes mūsų tyrimų kryptis“, – sako mokslininkų komandos narys Vladas Šatas.
VU mokslininkai vieningai sutaria, kad projektas suteikia itin daug profesinio augimo galimybių. „Rugsėjį pradėsime naują tiriamąjį projektą, o gruodį pasirodysiantys „Gaia“ DR4 duomenys ir nuolat besiplečianti tarptautinė komanda mums suteiks unikalią galimybę tirti šias retas žvaigždes dideliu mastu ir suprasti, kaip dvinarė partnerystė gali pakeisti žvaigždžių likimą“, – teigia dr. C. V. Vázquezas.
