Кейсы 12 января 2023

Что скрывал центр Млечного Пути: астрономы изучили «бедное старое сердце» галактики

Далее

Группе астрономов из Института астрофизики Макса Планка удалось идентифицировать «бедное старое сердце» Млечного Пути. «Хайтек» рассказывает главное.

Исследователи проанализировали данные из самого последнего выпуска миссии Европейского космического агентства «Гайя» (Gaia), используя нейронную сеть. Они изучили металличность двух миллионов ярких гигантских звезд во внутренней области Млечного Пути. Их обнаружение, а также их наблюдаемые свойства обеспечивают долгожданное подтверждение космологических симуляций самой ранней истории Галактики.

Как работает «космическая археология»?

Наша галактика, Млечный Путь, постепенно формировалась на протяжении почти всей истории Вселенной, которая охватывает 13 млрд лет. За последние десятилетия астрономам удалось реконструировать разные эпохи галактической истории. Точно так же, как археологи восстанавливали бы историю города. Например, по точным датам постройки некоторых зданий.

Также, реконструируя города, археологи обычно изучают, например, более примитивные строительные материалы или стили строительства. Так они понимают, что какие-то объекты существовали раньше других. Ученые понимают, когда остатки старых зданий находятся под другими (и, следовательно, более новыми) постройками. И последнее, но не менее важное значение имеют пространственные модели: во многих городах есть центральный «старый город», окруженный районами, которые появились гораздо позже.

Для галактик, и, в частности, для Млечного Пути, космическая археология работает похожим образом. Основные строительные блоки галактики — ее звезды. Для небольшого подмножества звезд астрономы могут точно определить, сколько им лет. Например, это работает для так называемых субгигантов — короткой фазы звездной эволюции, когда яркость и температура объекта можно использовать для определения ее возраста.

Химический «детектор возраста»

В более общем плане почти у всех звезд есть свой «стиль построения», который помогает определить их возраст. Речь идет о металличности. Она определяется как количество химических элементов тяжелее гелия, содержащихся в «атмосфере» звезды. Эти «металлы» производятся внутри звезд в результате ядерного синтеза и высвобождаются незадолго до или в конце жизни звезды — некоторые, когда рассеивается «атмосфера» звезды с малой массой, более тяжелые элементы с большей силой, когда звезда с большой массой взорвется как сверхновая. Таким образом, каждое поколение звезд «засевает» межзвездный газ, из которого формируется следующее. Как правило, каждое из них отличается более высокой металличностью, чем остальные поколения.

Карта Млечного Пути. Фото: НАСА

Что касается крупномасштабных структур, то, как и в «древнем городе», имеет значение пространственное распределение. Галактика менее статична, чем город — «космические здания» обычно не двигаются, в отличие от звезд. Учитывая это, модели движения также кодируют важную информацию.

Так, звезды Млечного Пути могут быть ограничены центральными областями или они могут быть частью упорядоченного вращательного движения в тонком или толстом диске Млечного Пути. Или же они могут стать частью хаотичного беспорядка орбит расширенного гало звезд Галактики, в том числе очень эксцентричных, которые постоянно проходят через внутренние и ее самые внешние области.

Как растут большие галактики

Галактики формируется слияниями и столкновениями мелких протогалактик, а также огромным количеством свежего газообразного водорода. Это сырье, который распространяеся в течении миллиардов лет, чтобы создавать новые звезды.

Звездный диск появляется после столкновения протогалактик, когда к получившемуся объекту присоединяется еще одна протогалактика. Она должна лететь достаточно далеко от центра («большой орбитальный угловой момент»). А вот при слиянии двух достаточно больших галактик (в ходе «большого слияния») их газовые резервуары нагреются, образуя сложную эллиптическую галактику.

Гипотетическое столкновение Млечного Пути и Андромеды. Фото: НАСА

Реконструкция такого рода истории — это вопрос сочетания все более информативных наблюдений со все более сложным моделированием. И, хотя общая картина того, что происходит, когда галактики формируются и развиваются, существует уже несколько десятилетий, конкретика появилась сравнительно недавно — во многом благодаря исследованиям, которые дали более качественные и полные данные.

Как ученые изучали «подростковые годы» Млечного Пути

Чтобы изучить «подростковый период» развития Млечного Пути, исследователи использовали данные со спутника ЕКА Gaia и спектрального обзора LAMOST. Цель — определить возраст 250 000 звезд-субгигантов. Благодаря анализу астрономы реконструировали последствия захватывающего периода Млечного Пути 11 млрд лет назад и его последующей более спокойной, «взрослой» жизни.

Тогда астрономы заметили, что самые старые звезды в «подростковой выборке» уже отличались значительной металличностью, примерно на 10% больше, чем у Солнца. Ясно, что до образования этих звезд должны были существовать еще более ранние поколения звезд, которые «загрязняли» межзвездную среду металлами.

Что моделирование говорит о древнем ядре Млечного Пути

Существование более ранних поколений соответствовало предсказаниям моделирования космической истории. Так, ученые подтвердили, что Млечный Путь появился при слиянии трех или четырех протогалактик, которые сформировались в непосредственной близости друг от друга, а затем слились. В итоге, их звезды расположились в виде сравнительно компактного ядра — несколько тысяч световых лет в диаметре. По космическим меркам, это совсем немного для галактики.

Центр Млечного Пути. Фото: НАСА

И, кроме того, симуляции предсказывали, где можно найти «выживших» старых звезд. Ученые предположили, что они «прячутся» в компактном ядре, которые они назвали «древнем сердцем» Млечного Пути. Оно находится в центральных областях нашей галактики и вблизи них даже сегодня, миллиарды лет спустя.

Как ученые искали древние звезды

Чтобы детально изучить их, ученые использовали новые методы наблюдения. Телескоп LAMOST, который использовали в предыдущем исследовании, из-за расположения на Земле и невозможности вести наблюдения в летние месяцы (из-за муссонов) вообще не может наблюдать основные области Млечного Пути. А субгиганты слишком тусклые, чтобы наблюдать их на расстоянии около 7 000 световых лет, что делает центральные области Галактики совершенно недосягаемыми.

Напомним, что в дополнение к тем редким звездам, по которым можно определить конкретный возраст, есть более общий индикатор звездной металличности — «различные стили строения», которые позволяют сортировать звезды на более старые и молодые.

В июне 2022 года вышел третий выпуск данных миссии ESA Gaia. С 2014 года она измеряет высокоточные параметры положения и движения, включая расстояния, более миллиарда звезд. Третий выпуск стал первым, в котором есть данные о спектре 220 млн астрономических объектов.

Карта особенно бедных металлами звезд-гигантов, определенных по данным третьего выпуска данных Gaia DR3, на которой в виде концентрированной области (отмечены кружком) показаны звезды «бедного старого сердца» галактики Млечный Путь. На карте показано все ночное небо так же, как на некоторых картах мира показана поверхность Земли. В центре карты указано направление к центру нашей галактики. Фото: Х.-В. Рикс/MPIA

Благодаря спектрам, астрономы получают информацию о химическом составе атмосферы звезды, в том числе о металличности. Чтобы «извлечь» надежные значения металличности из данных Gaia, потребовался дополнительный анализ.

Ученые обратили внимание именно на красные гигантские звезды. Они примерно в сто раз ярче субгигантов, и их легко наблюдать даже в отдаленных областях ядра Галактики. Также у них есть спектральные особенности, которые кодируют их металличность, и их легко «засечь».

Для самого анализа астрономы обратились к методам машинного обучения. Они предварительно обучили свою нейронную сеть и использовали специальный алгоритм. В итоге, исследователи получили доступ к выборке точных данных о металличности 2 млн звезд-гигантов во внутренней части галактики.

Что выяснили ученые?

Данные помогли им ученым сравнительно легко идентифицировать популяцию звезд в центре Галактики, которую ученые назвали «бедным старым сердцем» Млечного Пути, учитывая их низкую металличность, предполагаемый возраст и центральное расположение. Расстояния, предоставленные Gaia (с помощью метода параллакса), позволяют провести трехмерную реконструкцию. Согласно ней, эти звезды находятся в пределах сравнительно небольшой области вокруг центра, примерно 30 000 световых лет в поперечнике. И этому «сердцу» примерно 12,5 млрд лет.

Также ученые обнаружили, что подростковые годы Млечного Пути совпали с последним млрд лет.лиянием с другой галактикой — Gaia Enceladus/Sausage, остатки которой обнаружили в 2018 году. Это вызвало фазу интенсивного звездообразования и привело к появлению сравнительно толстого диска звезд, который можно наблюдать сегодня. В целом, взросление Млечного Пути состояло из умеренного притока газообразного водорода, который оседал в протяженном тонком диске нашей галактики, с медленным, но непрерывным образованием новых звезд в течение миллиардов лет.

Читать далее:

Сильнейшая вспышка класса X произошла на Солнце

Инженеры придумали, как удерживать дроны в воздухе «вечно»

Раскрыт секрет долговечности римского бетона: он умеет восстанавливаться

Фото на обложке: rare-gallery.com