Представления астрономов о многообразии систем во Вселенной строятся на многочисленных наблюдениях за галактиками, видимыми с Земли. По мере развития и усиления возможностей телескопов количество объектов, доступных для наблюдения, непрерывно возрастает. Некоторые из них расположены близко и видны во всех подробностях, другие — до сих пор выглядят как яркая точка или несколько пикселей на изображении, как далекие галактики ранней Вселенной.
Астрономы могут наблюдать за галактиками с разных сторон (один видны с ребра, другие — под углом, у третьих плоскость диска расположена перпендикулярно по отношению к Земле) и постепенно реконструировать их формы. Вторая важная возможность — спектральный анализ излучаемого света, который позволяет определить химический состав звезд, межзвездного газа и пыли, формирующих далекие системы.
Но нашу Галактику нанести на карту довольно сложно: чтобы посмотреть на то, как она выглядит для далеких астрономов нужно было бы подняться над плоскостью галактического диска, в которой расположено Солнце на расстояние в несколько десятков тысяч световых лет. Чтобы построить карту Млечного Пути, астрономам приходится «бороться» с огромным объемом газа и пыли, которые блокируют и рассеивают свет от разных объектов.
В результате все существующие карты, оказываются расплывчатыми и содержат многочисленные допущения. Международная группа астрономов под руководством исследователей из немецкого Института астрономии Общества Макса Планка изучила и нанесла на карту распространение металлов (так в астрономии называют все элементы тяжелее водорода и гелия), чтобы понять, каким Млечный Путь выглядит для астрономов, расположенных далеко за пределами нашей Галактики.
Химический состав звезд и межзвездного газа
Водород и гелий, два первых элемента во Вселенной, появились всего через несколько минут после Большого взрыва. Все остальные элементы сформировались гораздо позже в результате ядерных реакций внутри звезд и процессов, связанных с эволюцией звезд.
Наиболее распространенные элементы, такие как углерод и азот, образуются в ядрах большинства звезд путем слияния более легких элементов, таких как водород и гелий. Более тяжелые элементы, такие как железо, образуются только в массивных звездах, которые заканчивают свою жизнь взрывами сверхновых. Экстремальные условия взрывов приводят ко формированию третьих элементов, которые возникали внутри звезд только в небольших, следовых количествах.
Распределение тяжелых элементов внутри галактики содержит важную информацию об истории ее эволюции и событиях далекого прошлого. Кроме того, есть общая тенденция — концентрация металлов в межзвездной среде увеличивается с течением времени. Звезды, которые родились раньше, содержат меньше металлов, звезды, родившиеся позже, — больше. Анализ химического состава звезд в различных областях позволяет определить, какие из них сформировались раньше, а какие — позже.
Как исследователи картографировали Млечный Путь?
За последние десятилетие исследователи составили несколько крупномасштабных обзоров звезд, которые анализируют отдельные особенности звезд Млечного Пути. В своей работе астрономы использовали данные обзора Apogee — крупномасштабного исследования, в результате которого на основе спектра излучения были получены данные о химическом составе и движении более 100 тыс. звезд Галактики. Эти данные были совмещены с результатами обзора космического спутника Gaia, который отслеживает местоположение и яркость более 1,5 млрд звезд Млечного Пути и множества других объектов.
С Земли и даже с орбитальных телескопов астрономы видят «нечеткий» вид Млечного Пути: в некоторых направлениях большое количество пыли ослабляет свет звезд и скрывает некоторые из них. Исследователи использовали моделирование, чтобы учесть свойства пыли, убрать искажения и получить реальное распределение звезд в нашей галактике.
Чтобы объединить разрозненные данные, исследователи использовали компьютерную симуляцию TNG50, которая позволяет моделировать и отслеживать формирование и эволюцию Галактик на основе известных данных. Результаты моделирования астрономы сравнили с похожими на Млечный Путь галактиками из обзора Manga.
Что показали результаты исследования?
Результаты исследования показали неравномерное изменение металличности внутри Млечного Пути. По мере удаления от центра — сверхмассивной черной дыры Стрелец A* — концентрация элементов тяжелее железа постепенно возрастает. На расстоянии около 23 тыс. световых лет оно становится примерно таким, которое характерно для Солнца (расположенного в 26 тыс. световых лет от центра Галактики).
Удивительно, но дальше, по мере увеличения, расстояния количество тяжелых элементов начинает падать, сокращаясь примерно в три раза по сравнению с химическим составом Солнца на расстоянии около 50 тыс. световых лет.
По сравнению с обзорами других галактик или моделированием, распределение металличности, напоминающей пончик — довольно редкое. Только 1% исследованных галактик, напоминающих по возрасту и структуре Млечный Путь, демонстрируют аналогичное распределение. В результатах компьютерного моделирования он повыше — 11%. Разница связана с ограниченными возможностями реальных наблюдений и ограничениями при моделировании Вселенной.
У астрономов нет готового ответа, с чем может быть связано такое необычное распределение химических элементов внутри Млечного Пути. Одна из гипотез состоит в том, что низкая металличность в центре Галактики связана с активностью Стрельца A*, который «оттолкнул» вглубь галактики большое количество газа, богатого тяжелыми элементами. Окраинная аномалия в свою очередь может быть последствием столкновения в прошлом Млечного Пути с карликовой галактикой.
Справедливы ли эти гипотезы, покажут будущие наблюдения, направленные на изучение звезд Млечного Пути и редких галактик с аналогичным распределением химических элементов.
Читать далее:
Образцы красного водопада рассмотрели в лаборатории: что там нашли ученые
Посмотрите, как сияют кольца Сатурна на снимке телескопа «Джеймс Уэбб»
Гигантская ледяная планета может скрываться на дальней границе Солнечной системы
На обложке: Млечный Путь в ночном небе. Изображение от tawatchai07 на Freepik