天文学家发现 116,000 颗新变星

来自俄亥俄州的两个人、GAIA 任务、全球地面望远镜网络、机器学习和公民科学家之间有什么关系? 由于人和计算机的这种有趣的组合,天文学家现在有超过 116,000 颗新的变星需要研究。 到目前为止,他们知道银河系中大约有 46,000 颗这样的恒星。 他们在其他星系中观察到了大约 10,000 个。 这一发现使天文学家有更多机会研究变量并了解它们为什么会这样。

北极星(造父变星)的延时摄影,显示其亮度变化的周期。 礼貌 TimWether CC BY-SA 4.0

俄亥俄州立大学天文学家科林克里斯蒂和博士。 学生 Tharindu Jayasinghe 最近 发表论文 讨论他们发现这个新的变星宝库。 克里斯蒂描述了这些天体对天文学家的重要性。 “变星有点像恒星实验室,”他在新闻稿中说。 “它们是宇宙中非常整洁的地方,我们可以在那里研究和了解更多关于恒星怎样实际工作以及它们都有的小复杂性。”

梳理数据寻找变星

事实证明,变量可能有些难以捉摸。 这部分是因为宇宙中有很多东西在闪烁。 超新星迅速爆发并消退。 新星做同样的事情。 但是,这些并不是在可预测的基础上发生的。 然而,变量会经常变亮和变暗。 有些是明亮且非常明显的,例如北极星(我们的北极星)或英仙座中的变星大陵五。 其他的,比如太阳,亮度变化很小,以至于它们的活动需要特殊的技术来测量。 那么,有什么好的方法可以将变量与其他在夜间“闪烁”的事物区分开来?


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它有助于从有关大量恒星的数据开始。 Christy 和合作者 Jayasinghe 从 天基 GAIA 任务. 他们还使用了来自 2微米全天 调查(2MASS)和 ALLWISE (来自 WISE 任务的广域红外数据存储库)。 这给了他们一个巨大的恒星数据库来筛选寻找目标。 这也带来了很大的挑战。 “如果你想看几百万颗星星,靠几个人是不可能做到的。 这将永远持续下去,”Jayasinghe 说。 “所以我们必须将一些创造性的东西融入其中,比如机器学习技术。”

处理如此多的调查数据是为机器学习和人工智能量身定制的过程。 计算机可以相当快地处理数据,但它们需要好的数据。 人的接触仍然是必要的,因为一些数据很糟糕,这混淆了机器学习算法。

将垃圾与变量分开

公民科学家介入帮助识别关于不是变星的物体的信息。 这些数据被称为“垃圾数据”。 Christy 指出项目的这个阶段是绝对必要的。 “让人们告诉我们我们的不良数据是什么样的非常有用,因为最初,算法会查看不良数据并尝试理解它,”克里斯蒂说。

最终,在整理垃圾数据和通过机器学习运行验证信息之间,天文学家有大约 400,000 个变量需要观察。 该团队转向全天超新星自动巡天 (ASAS-SN) 望远镜网络来观察候选变星。 该调查的地面望远镜配备了对蓝色敏感的 g 波段滤光片以寻找变量。 天文学家已经知道了一半以上,但其中惊人的 116,027 个是新发现。

ASAS-SN 部署了这样的望远镜来寻找新的变星。 礼貌 ASAS-SN 调查。
ASAS-SN 部署了这样的望远镜来寻找新的变星。 礼貌 ASAS-SN 调查。

JUNK 数据集现在修改和改进了机器学习程序中的算法。 “这是我们第一次将公民科学与变星天文学领域的机器学习技术真正结合起来,”Jayasinghe 说。 “当你把这两者放在一起时,我们正在扩大你可以做的事情的界限。”

变星:一些背景

事实证明,大多数恒星都是变量。 天文学家想知道为什么。 变异性是恒星在其整个生命周期内或表面活动的主要线索。 它可能会定期膨胀然后收缩。 当然,这会改变它的亮度。 它可能有一个大的星点,导致恒星在旋转时看起来很暗。 由于这些过程而变化的恒星被称为“内在”变量。

一颗恒星也可能由于周围发生的事情而改变亮度。 它可能会变暗,因为有东西在绕它运行。 那可能是附近的伴星。 或者,它可能有一颗巨大的行星,在它的轨道运行时阻挡了恒星的光。 这样的恒星被称为“外在”变量,因为它外部的某些东西导致它的亮度发生变化。

研究和分类变星

天文学家使用多种方法研究变量。 当然,他们在可见光下观察它们。 他们还可以使用测光法(测量亮度波动)。 光谱学(将来自变量的光分解为其组成波长)提供有关恒星温度、旋转速率和其他特征的信息。 这些技术和其他技术允许天文学家将变量分类为多个子集,例如造父变星、米拉星、食双星、双星等。

变星米拉(右上红星)在超过 100 天的时间内会发生亮度变化。 它是一颗脉动的红巨星,最终会变成一个行星状星云。 由 ESO 和数字天空调查提供。
变星米拉(右上方的红色星)在超过 100 天的时间里会发生亮度变化。 这是一颗脉动的红巨星,最终将成为行星状星云。 礼貌 ESO/数字天空调查。

还有一大群业余观察者在测量变量的变化亮度。 这些人定期生成非常有能力的数据集来跟踪此类恒星的最大和最小亮度。 许多公民科学家隶属于 美国变星观测者协会 (AAVSO). 有些还作为 隶属于 ASAS-SN 的公民科学计划 民意调查。

变星:从坏运气到好科学

自古以来,变量就已为人所知并被观察到。 有一些有趣的证据表明,古埃及的天文观测者使用大陵五的奇怪变化的亮度来预测“不幸”的日子。 据推测,他们利用这些信息向法老和其他贵族成员提供了建议。 其他文化也注意到了同样的变化,许多人似乎将其与某种灾难联系起来。

快进几千年,变星的科学性质引起了天文学家的兴趣。 对变量的第一次严肃研究始于 1600 年代并一直持续到今天。 作为一个 example 就我们现在所知,Algol 确实是三星系统中的食双星。 其中两颗恒星围绕一个共同点运行,一颗定期从另一颗前面经过。 这会导致 Algol 周期性地变亮和变暗。

在 20 世纪,天文学家 Henrietta Leavitt 绘制了近 2,000 颗变星变亮和变暗的时期。 其中包括近 50 个造父变星。 (造父变星以造父变星 Delta Cephei 命名,它是某些变量的原型,这些变量会定期膨胀和收缩(因此变亮和变暗)。)莱维特利用她的数据制定了周期-光度定律。 这将脉动变量的光度与其脉动周期联系起来。 使用该定律,天文学家可以使用变星,尤其是造父变星,作为“标准蜡烛”来计算空间距离。

变星扩展了我们对宇宙的认知

天文学家埃德温·哈勃 (Edwin Hubble) 在发表对“仙女座星云”(当时已知的那个星系)中造父变星的观测时引用了莱维特的工作。 他的发现确定了到仙女座的距离,并开启了我们对宇宙中宇宙距离的理解。 如果没有对变星的精确研究,这是不可能的。

莱维特和哈勃的工作基本上为我们打开了宇宙。 随着机器学习、大调查、公民科学和其他天文学工具的结合,变星研究领域将继续扩大我们对这些在黑暗中闪烁的恒星光的理解。

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