Med hjälp av programvara som efterliknar en mänsklig hjärna, ESA:s Gaia-satellit såg sex stjärnor som glider i hög hastighet från mitten av vår galax till dess utkanter. Detta kan ge nyckelinformation om några av Vintergatans mest obskyra regioner.

Vårt galaktiska hem, Vintergatan, rymmer mer än hundra miljarder stjärnor, alla hålls samman av tyngdkraften. De flesta är belägna i en tillplattad struktur – den galaktiska skivan – med en utbuktning i mitten, medan de återstående stjärnorna är fördelade i en bredare sfärisk halo som sträcker sig ut till cirka 650 000 ljusår från centrum.

Stjärnor är inte orörliga i galaxen utan rör sig runt dess centrum med en mängd olika hastigheter beroende på var de befinner sig – till exempel, solen kretsar i cirka 220 km/s, medan snittet i halon ligger på cirka 150 km/s.

Ibland, några stjärnor överstiger dessa redan ganska imponerande hastigheter.

Vissa accelereras av ett nära stjärnmöte eller supernovaexplosionen av en stjärnkamrat, resulterar i rymningsstjärnor med hastigheter upp till några hundra km/s över genomsnittet.

En ny klass av höghastighetsstjärnor upptäcktes för drygt ett decennium sedan. Svepande genom galaxen i flera hundra km/s, de är resultatet av tidigare interaktioner med det supermassiva svarta hålet som sitter i Vintergatans centrum och, med en massa av fyra miljoner solar, styr stjärnornas banor i dess närhet.

"Dessa hyperhastighetsstjärnor är extremt viktiga för att studera den övergripande strukturen av vår Vintergatan, säger Elena Maria Rossi från Leiden University i Nederländerna, som presenterade Gaias upptäckt av sex nya sådana stjärnor idag vid European Week of Astronomy and Space Science i Prag, Tjeckien.

"Det här är stjärnor som har färdats långa sträckor genom galaxen men kan spåras tillbaka till dess kärna - ett område så tätt och skylt av interstellär gas och stoft att det normalt är mycket svårt att observera - så de ger viktig information om gravitationsfältet av Vintergatan från centrum till dess utkanter."

Tyvärr, snabbrörliga stjärnor är extremt svåra att hitta i Vintergatans stjärnhösack, eftersom aktuella undersökningar listar hastigheten på högst några hundra tusen stjärnor.

För att hitta dem, forskare har letat efter unga, massiva stjärnor som skulle sticka ut som interlopers i den gamla stjärnpopulationen i den galaktiska glorin. Givet bort av deras orörda ålder, dessa stjärnor kommer sannolikt att ha fått en extra spark för att nå glansen. Ytterligare mätningar av deras hastigheter och uppskattningar av deras tidigare banor kan bekräfta om de verkligen är hyperhastighetsstjärnor som sköts bort från Vintergatans centrum.

Än så länge, endast 20 sådana stjärnor har upptäckts. På grund av det specifika valet av denna metod, dessa är alla unga stjärnor med en massa 2,5 till 4 gånger solens. Dock, forskare tror att många fler stjärnor av andra åldrar eller massor rusar genom galaxen men förblir oupptäckta av denna typ av sökning.

Den miljardstjärniga folkräkningen som utförs av Gaia erbjuder en unik möjlighet, så Elena och hennes medarbetare började undra hur man kan använda ett så stort dataset för att optimera sökningen efter snabbrörliga stjärnor.

Efter att ha testat olika metoder, de vände sig till programvara genom vilken datorn lär sig av tidigare erfarenheter.

"I slutet, vi valde att använda ett artificiellt neuralt nätverk, som är mjukvara utformad för att efterlikna hur vår hjärna fungerar, " förklarar Tommaso Marchetti, Doktorand vid Leiden University och huvudförfattare till artikeln som beskriver resultaten publicerade i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

"Efter ordentlig 'träning', den kan lära sig att känna igen vissa objekt eller mönster i en enorm datamängd. I vårat fall, vi lärde den att upptäcka hyperhastighetsstjärnor i en fantastisk katalog som den som sammanställts med Gaia."

Som en del av Elenas forskningsprojekt för att studera dessa stjärnor, teamet började utveckla och träna detta program under första halvåret 2016, för att vara redo för den första releasen av Gaia-data några månader senare, den 14 september.

Förutom en karta över en miljard stjärnpositioner, denna första utgåva inkluderade en mindre katalog med avstånd och rörelser för två miljoner stjärnor, kombinerar observationer från Gaias första år med observationer från ESA:s Hipparcos-uppdrag, som kartlade himlen för mer än två decennier sedan. Kallas Tycho-Gaia Astrometric Solution, eller TGAS, denna resurs är en provsmakare för framtida kataloger som enbart kommer att baseras på Gaia -data.

"På dagen för datasläppet, vi körde vår helt nya algoritm på de två miljoner stjärnorna i TGAS, säger Elena.

"På bara en timme, den artificiella hjärnan hade redan reducerat datasetet till cirka 20 000 potentiella höghastighetsstjärnor, minska dess storlek till cirka 1%.

"Ett ytterligare urval som endast inkluderar mätningar över en viss precision i avstånd och rörelse sänkte detta till 80 kandidatstjärnor."

Teamet tittade på dessa 80 stjärnor mer i detalj. Eftersom endast information om stjärnans rörelse över himlen ingår i TGAS -data, de var tvungna att hitta ytterligare ledtrådar för att sluta sig till deras hastighet, tittar på tidigare stjärnkataloger eller gör nya observationer.

"Om man kombinerar alla dessa data, vi fann att sex stjärnor kan spåras tillbaka till det galaktiska centrumet, alla med hastigheter över 360 km/s, säger Tommaso.

Viktigast, forskarna lyckades undersöka en annan population än de 20 stjärnor som redan var kända:de nyligen identifierade stjärnorna har alla lägre massor, liknande massan av vår sol.

En av de sex stjärnorna verkar rusa så fort, i över 500 km/s, att den inte längre är bunden av galaxens gravitation och så småningom kommer att lämna. Men den andra, lite långsammare stjärnor, är kanske ännu mer fascinerande, eftersom forskare är angelägna om att lära sig vad som bromsat dem – kan den osynliga mörka materien som tros genomsyra Vintergatan också ha spelat en roll.

Medan det nya programmet optimerades för att söka efter stjärnor som accelererades i mitten av galaxen, den identifierade också fem av de mer traditionella rymningsstjärnorna, som är skyldiga sina höga hastigheter till stjärnmöten någon annanstans i Vintergatan.

"Detta resultat visar Gaias stora potential att öppna upp nya vägar för att undersöka strukturen och dynamiken i vår galax, säger Anthony Brown från Leiden University, en medförfattare på studien och ordförande för Gaia Data Processing and Analysis Consortium.

Forskarna ser fram emot att använda data från nästa Gaia -utgåva, som är planerad till april 2018 och kommer att omfatta avstånd och rörelser på himlen för över en miljard stjärnor, samt hastigheter för en delmängd.

Att hantera en miljard stjärnor, snarare än de två miljoner som hittills utforskats, är en enorm utmaning, så teamet är upptagna med att uppgradera sitt program för att hantera en så enorm katalog och för att avslöja de många hastighetsstjärnor som kommer att gömma sig i datan.

"Det stora antalet stjärnor som Gaia undersöker är en spännande men också utmanande möjlighet för astronomer, och vi är glada att se att de med glädje antar utmaningen, "säger Timo Prusti, Gaia -projektforskare vid ESA.