Forskare har sedan en tid tillbaka vetat att galaxer kan växa genom sammanslagning av mindre galaxer, men härkomsten till vår egen Vintergatans galax har varit ett långvarigt mysterium. Nu, ett internationellt team av astrofysiker har lyckats rekonstruera det första kompletta släktträdet i vår hemgalax genom att analysera egenskaperna hos klothopar som kretsar kring Vintergatan med artificiell intelligens. Verket publiceras i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society .

Globulära hopar är täta grupper på upp till en miljon stjärnor som är nästan lika gamla som universum självt. Vintergatan är värd för över 150 sådana kluster, av vilka många bildades i de mindre galaxerna som slogs samman för att bilda den galax som vi lever i idag. Astronomer har i årtionden misstänkt att klothoparnas gamla åldrar skulle innebära att de skulle kunna användas som "fossiler" för att rekonstruera galaxernas tidiga sammansättningshistoria. Det är dock först med de senaste modellerna och observationerna som det har blivit möjligt att förverkliga detta löfte.

Ett internationellt team av forskare under ledning av Dr Diederik Kruijssen vid Center for Astronomy vid University of Heidelberg (ZAH) och Dr Joel Pfeffer vid Liverpool John Moores University har nu lyckats härleda Vintergatans sammanslagningshistoria och rekonstruera dess släktträd, använder bara sina klotformiga hopar.

För att uppnå detta, de utvecklade en serie avancerade datorsimuleringar av bildandet av Vintergatan-liknande galaxer. Deras simuleringar, kallas E-MOSAICS, är unika eftersom de inkluderar en komplett modell för formationen, Evolution, och förstörelse av klothopar.

I simuleringarna, forskarna kunde relatera åldrarna, kemiska sammansättningar, och klothopars omloppsrörelser till egenskaperna hos de progenitorgalaxer där de bildades, för mer än 10 miljarder år sedan. Genom att tillämpa dessa insikter på grupper av klotformiga kluster i Vintergatan, de kunde inte bara avgöra hur många stjärnor dessa stamgalaxer innehöll, men också när de slogs samman till Vintergatan.

"Den största utmaningen med att koppla ihop egenskaperna hos klotkluster med fusionshistorien för deras värdgalax har alltid varit att galaxsammansättning är en extremt rörig process, under vilken klothoparnas banor omvandlas fullständigt, " förklarar Kruijssen.

"För att förstå det komplexa system som finns kvar idag, vi bestämde oss därför för att använda artificiell intelligens. Vi tränade ett artificiellt neuralt nätverk på E-MOSAICS-simuleringarna för att relatera klotklustrets egenskaper till värdgalaxens sammanslagningshistoria. Vi testade algoritmen tiotusentals gånger på simuleringarna och blev förvånade över hur exakt den kunde rekonstruera fusionshistorierna för de simulerade galaxerna, använder bara deras klotformade klusterpopulationer."

Inspirerad av denna framgång, forskarna satte sig för att dechiffrera Vintergatans sammanslagningshistoria. För att uppnå detta, de använde grupper av klotformiga hopar som var och en tros ha bildats i samma progenitor-galax baserat på deras orbitala rörelse. Genom att applicera det neurala nätverket på dessa grupper av globulära kluster, forskarna kunde inte bara förutsäga stjärnmassorna och sammanslagningstiderna för progenitorgalaxerna med hög precision, men det avslöjade också en tidigare okänd kollision mellan Vintergatan och en gåtfull galax, som forskarna döpte till "Kraken".

"Kollisionen med Kraken måste ha varit den mest betydande sammanslagning som Vintergatan någonsin upplevt, " tillägger Kruijssen. "Innan, man trodde att en kollision med Gaia-Enceladus-Sausage-galaxen, som ägde rum för cirka 9 miljarder år sedan, var den största kollisionshändelsen. Dock, fusionen med Kraken ägde rum för 11 miljarder år sedan, när Vintergatan var fyra gånger mindre massiv. Som ett resultat, kollisionen med Kraken måste verkligen ha förändrat hur Vintergatan såg ut på den tiden."

Tagen tillsammans, dessa fynd gjorde det möjligt för teamet av forskare att rekonstruera det första kompletta fusionsträdet i vår galax. Under loppet av dess historia, Vintergatan kannibaliserade omkring fem galaxer med mer än 100 miljoner stjärnor, och ett femtontal med minst 10 miljoner stjärnor. De mest massiva stamgalaxerna kolliderade med Vintergatan för mellan 6 och 11 miljarder år sedan.

Forskarna förväntar sig att deras förutsägelser ska stimulera framtida studier för att söka efter resterna av dessa stamgalaxer. "Skräpet från mer än fem stamgalaxer har nu identifierats. Med nuvarande och kommande teleskop, det borde vara möjligt att hitta dem alla, " avslutar Kruijssen.