Som de flesta spiralgalaxer, Vintergatan har en ungefär sfärisk samling stjärnor i mitten som kallas utbuktningen. Hur utbuktningen bildades har varit ett långvarigt mysterium, med många studier som tyder på att den byggdes upp över tiden genom flera utbrott av stjärnbildning.

Ny forskning visar att majoriteten av stjärnorna i vår galaxs centrala utbuktning bildades i en enda skur av stjärnbildning för mer än 10 miljarder år sedan. För att nå denna slutsats, astronomer undersökte miljontals stjärnor över 200 kvadratgrader av himlen – en yta motsvarande 1, 000 fullmånar. Den resulterande mängden data förväntas underblåsa många fler vetenskapliga undersökningar.

Vår Vintergatans galax är formad som två stekta ägg limmade rygg mot rygg. En central utbuktning av stjärnor sitter i mitten av en vidsträckt skiva av stjärnor. Även om detta är ett vanligt drag bland otaliga spiralgalaxer, astronomer har ägnat årtionden åt att förbrylla ut hur och när Vintergatans centrala utbuktning kan ha bildats. Föddes stjärnorna i utbuktningen tidigt i vår galax historia, För 10 till 12 miljarder år sedan? Eller byggdes utbuktningen upp med tiden genom flera episoder av stjärnbildning?

Vissa studier har hittat bevis för minst två stjärnbildande utbrott, leder till stjärnpopulationer så gamla som 10 miljarder år eller så unga som 3 miljarder. Nu, en omfattande ny undersökning av miljontals stjärnor finner istället att de flesta stjärnor i den centrala 1, 000 ljusår av Vintergatans nav bildades när den fylldes av infallande gas för mer än 10 miljarder år sedan. Denna process kan ha utlösts av enkel ansamling av urmaterial, eller något mer dramatiskt som att gå samman med en annan ung galax.

"Många andra spiralgalaxer ser ut som Vintergatan och har liknande utbuktningar, så om vi kan förstå hur Vintergatan bildade sin utbuktning så har vi en bra idé om hur de andra galaxerna också gjorde det, " sa medföreståndare Christian Johnson vid Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland.

"Denna undersökning ger oss en stor bild av utbuktningen på ett sätt som många tidigare undersökningar inte har kunnat göra, " tillade medförfattaren Caty Pilachowski från Indiana University i Bloomington, Indiana.

Ser yngre ut än deras ålder

För att nå sin slutsats, teamet studerade stjärnornas kemiska sammansättning. Som många Hollywoodstjärnor, stjärnor i den galaktiska utbuktningen ser ut som om de har genomgått en kosmisk Botox-behandling – de verkar yngre än de är. Det beror på att de innehåller ungefär samma mängd tunga grundämnen (tyngre än väte och helium) som solen - vad astronomer kallar metaller. Det är förvånande eftersom det tar tid att samla metaller. De måste skapas av tidigare generationer av stjärnor, kastas ut genom stjärnvindar eller supernovor, och sedan införlivas i senare generationer.

Vår sol, vid 4,5 miljarder år gammal, är en relativt nykomling, så det är vettigt att det skulle vara fullt av metaller. I kontrast, de flesta gamla stjärnor i vår galax saknar tunga element. Och ändå är utbuktande stjärnor metallberikade trots sin höga ålder.

"Något annat hände i utbuktningen. Metallerna där byggdes upp mycket, väldigt snabbt, möjligen under de första 500 miljoner åren av dess existens, ", sa co-rektor utredare Michael Rich vid University of California, Los Angeles.

Teamet använde den uppmätta ljusstyrkan hos stjärnor vid olika våglängder av ljus, speciellt i ultraviolett ljus, för att bestämma deras metallinnehåll. Stjärnor som bildas vid olika tidpunkter skulle förväntas ha olika metalliciteter i genomsnitt. Istället, de fann att stjärnor inom 1, 000 ljusår av det galaktiska centrumet visade en fördelning av metaller samlade runt ett enda medelvärde. Om stjärnor var studenter och metalliciteter var amerikanska betyg, bulge-stjärnor skulle alla ha ett stabilt 'C'-medelvärde, snarare än en grupp "A"-elever och en grupp "D"-elever. Detta tyder på att dessa stjärnor bildades i en kort eldstorm under stjärnfödelse.

Stora bilder, big data

Teamet undersökte en del av himlen som täcker mer än 200 kvadratgrader – en yta som motsvarar ungefär 1, 000 fullmånar. De använde Dark Energy Camera (DECam) på Victor M. Blanco 4-metersteleskopet vid Cerro Tololo Inter-American Observatory i Chile, ett program från NSF:s NOIRLab. Den här bredfältskameran kan fånga 3 kvadratgrader av himlen på en enda exponering.

Teamet samlade in mer än 450, 000 individuella fotografier som gjorde det möjligt för dem att exakt bestämma kemisk sammansättning för miljontals stjärnor. Ett delprov på 70, 000 stjärnor analyserades för denna studie.

"Vår undersökning är unik eftersom vi kunde skanna en kontinuerlig sektion av utbuktningen vid våglängder av ljus från ultraviolett till synligt till nära-infrarött. Det gör att vi kan få en tydlig förståelse av vad de olika komponenterna i utbuktningen är och hur de passar ihop, sa Johnson.

Den mängd data som samlas in genom denna undersökning kommer att underblåsa ytterligare vetenskapliga undersökningar. Till exempel, forskarna undersöker möjligheten att mäta stjärnavstånd för att göra en mer exakt 3D-karta över utbuktningen. De planerar också att söka korrelationer mellan deras metallicitetsmätningar och stjärnbanor. Den undersökningen kunde lokalisera "flockar" av stjärnor med liknande banor, som kan vara resterna av störda dvärggalaxer, eller identifiera tecken på ackretion som stjärnor som kretsar mitt emot galaxens rotation.

Är Vintergatans historia av utbuktningar unik eller vanlig i galaxens evolution? För att svara på den frågan, astronomer måste titta på galaxsammansättningen i fjärran, ungt universum — en uppgift som NASA:s rymdteleskop James Webb designades speciellt för. "Med Webb, vi kommer att ha en plats på första raden för att se galaxer som vår Vintergatan bildas, sa Rich.

Blanco DECam Bulge Survey är uppkallad efter Victor och Betty Blanco. Victor Blanco var den första direktören för Cerro-Tololo Inter-American Observatory; han och Betty Blanco var också banbrytande för studier av den galaktiska utbuktningen och magellanska molnen med hjälp av observatoriets 4-meters teleskop.

Dessa resultat rapporteras i två kompletterande artiklar som accepteras för publicering i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society .