ПопулярноеРедакцияСвежее
ЛучшееОбсуждаемое

На зоряних картах відкрилась прихована історія Чумацького Шляху

1

Дані з апарату Gaia радикально змінюють наші уявлення про еволюцію нашої Галактики.

Джерело: ESA/Gaia/DPAC

Минулого квітня Аміна Хелмі була надзвичайно схвильована роботою на півночі Нідерландів. Справа була не в погоді, а в напруженому очікуванні. Днями було опубліковано масу даних з Gaia, апарату Європейського космічного агентства (ЄКА), який вже протягом п’яти років займається картографуванням Чумацького Шляху. Астрономи з Університету Гронінгена та її команда пробивалися через завали інформації до неймовірних відкриттів, що розкажуть більше про нашу Галактику. Головне дістатися до них раніше за інших.

Працюючи швидко, Хелмі та її колеги не могли спати від хвилювання. Вони відчували, що напали на слід чогось надзвичайного. Команда вивчила сет даних з 30 000 зірок-ренегатів. На відміну від інших об’єктів в головній частині Чумацького Шляху, які обертаються за напрямком плоского диска, ці незвичні об’єкти рухаються в протилежному напрямку. Їх орбіти проходять поза межами галактичної площини.

Команда працювала тижнями та виявила, що цей потік зірок наслідок раніше невідомого та невивченого періоду історії нашої галактики. Зіткнення між молодою галактикою та її гігантським компаньйоном. Він обертався навколо Чумацького Шляху, як планета навколо зірки і від 8 до 11 мільярдів років тому, вони зіштовхнулись. Значні зміни в галактичному диску розкидали безліч зірок на значні відстані. Це було останнє відоме зіткнення, яке пережив Чумацький Шлях до того як, зайняв свою сучасну спіральну форму.

Відгомін того зіткнення був схований за мільярдами світлових років і лише з допомогою сету даних з Gaia, астрономам вдалося віднайти його. «Надзвичайна вдача, що ми змогли відшукати цей вказівник з історії Чумацького Шляху» — розповідає Хелмі.

Такі монументальні відкриття стали можливі лише після запуску апарату Gaia. Завдання місії каталогізувати понад 1 мільярд місцевих зірок, визначити їх зоряні величини, температуру, вік, місцезнаходження та швидкість оберту. Саме останні дві характеристики – надзвичайно цікавлять астрономів. До Gaia вже було не мало обсерваторій, які досить точно виміряли відстань до багатьох зірок, а також вивчали таке поняття, як власний рух (рух зірок по небу). Використовуючи цю важливу інформацію, вчені можуть, як і зробили Хемлі та її колеги, шукати групи об’єктів, що рухаються за подібними траєкторіями. Це очевидна ознака, що вказує на спільну історію. Швидкість обертання також може допомогти астрономам віднайти вплив чорної матерії – невловимої та досі загадкової субстанції, що становить більшу частину галактичної маси та своєю гравітацією змінює траєкторії руху зірок.

Сотні наукових робіт були опубліковані з часу релізу останнього сету даних Gaia у квітні 2018. Ці данні вимальовуютьдинамічнішу та повнішу Карту Чумацького Шляху. Галактика сповнена сюрпризами, зокрема згустками темної матерії, які вчені планують дослідити, щоб дізнатися більше про властивості «темної сторони». Попередні висновки вже змінились, впевнений астроном Василь Бєлокуров з Кембридзького Університету, Великобританія. Ці висновки – певно лише проблиски майбутніх відкриттів. «Як ми бачимо, Чумацький Шлях дуже сильно змінився», — говорить астроном.

Руйнівне минуле

Сонячна система обертається на околиці Чумацького Шляху у другому спіральному рукаві під назвою Оріон, де до галактичного центра аж 8 000 парсек (26 000 світлових років). Так, здалеку, астрономи картографують безліч зірок, що тягнуться нічним небом. До середини двадцятого століття у вчених вже приблизно склалась картинка нашої галактики, де більшість зірок знаходяться в центральній сфері навколо якої обертаються спіральні рукави, що оточені тонким сферичним гало. У 1970-80-х вчені зрозуміли, як формувалась ця структура, що мільярди років тому була лише хмарою темної матерії, газу та пилу. Видимі компоненти склались у дископодібну структуру, що збільшувалась поглинаючі малі супутникові галактики. Пізніше астрономи почали використовувати метод повторювальних зображень з наземних телескопів. Це дозволило їм детальніше вивчити великі об’єкти в нашій галактиці, як то зоряне гало, де вони знайшли залишки малих галактик, які розтягнулися у потоках зірок.

Втім наземні спостереження дають астрономам інформацію про Структуру Чумацького Шляху, але спотворення від турбулентної атмосфери Землі не дозволяють точно з’ясувати відстань до зірок. Звичайно, швидкість руху зірок до Землі чи від неї можна вирахувати за зміною їх кольорів, аналізуючи їх власний рух. Проте повну швидкість обертання важко вирахувати, бо за земними мірками зорі на небосхилі переміщуються дуже повільно. Ця проблема не дозволяє повністю дослідити зв’язки між багатьма зірками – силу, яку можна виявити під час аналізу спільних рухів зірок.

Щоб знайти відповіді на ці питання у 2000 році була затверджена місія Gaia, яку запустили через тринадцять років потому. Вартість всіх робіт сягнула €740 мільйонів (US$844 мільйонів). Апарат обертається навколо Сонця трохи далі за Землю та робить зображення зірок з різних позицій своєї орбіти. Це дозволяє обчислювати зоряний паралакс – незначну зміну положення зірки з одночасною зміною перспективи. Космічний телескоп Гіппаркос, що працював з 1989 до 1993 теж збирав дані паралаксу. Проте обсерваторія Gaia у 100 разів точніша. Так, завдяки своїй чутливості, вона може заглянути глибше у нашу галактику. Раніше обсерваторії не вимірювали точну відстань до 99% з 1 мільярда зірок, що вона спостерігала.

Шляхом подальших розрахунків вчені з команди Gaia нанесли на карту кожну зірку, що спостерігав апарат. Всі вони пов’язані між собою. Це дозволило команді дізнатись, як швидко рухаються зорі по небу, виміряти їх власний рух. Далі, коли вони виміряли незначні зміни у кольорі зірок (прим. ідеться про спектральний зсув), астрономи отримали дані наскільки швидко рухаються ці об’єкти в бік супутника або від нього в площині його спостереження. Поєднання цих двох вимірювань та точна дальність до зірок від Gaia дозволило створити повну 3D модель руху зірок. Gaia може вирахувати рухи зірок у зоні прямої видимості, а земні телескопи допомагають вивчити решту. Знання того, де знаходиться зірка та куди вона рухається дозволяє вченим швидко виявити раніше невідомі етапи в історії Чумацького Шляху.

Таку подію, — давне зіткнення чумацького Шляху та карликової галактики, розслідувала і команда Хелмі (див. роботу Merger in the early formation stages of our Galaxy) В їх роботі, вчені приводять докази, що вони виявили цілу когорту зірок, які мають спільне походження. Ці дані підтверджуються наземними спостереженнями, — Слоанівським цифровим оглядом неба (SDSS) в Нью-Мексико, США. Спостереження довели, що всі виявлені зорі мають подібний хімічний склад. Команда назвала давню карликову галактику Gaia-Enceladus. У грецькій міфології Енцелад був гігантом, що походить від Геї.

Проте, як так сталось, що Бєлокуров разом зі своїми колегами також виявив докази зіткнення використавши попередній сет даних з Gaia, що був опублікований ще у 2016 році. У цьому сеті даних не було інформації про власний рух зірок, але команда порівняла вимірювання Gaia з даними SDSS, що були отримані більше десятиліття тому. Так вчені змогли дізнатись, як змінилось положення зірок за минулий час. Вони виявили групу об’єктів, що мали незвичні орбіти, які вели їх з центру галактики до її околиць, що це наслідки великого поодинокого зіткнення, а схожість у металевому складі цих зірок, підтверджує їх спільне походження. Оскільки швидкості цих об’єктів на графіку формою нагадували ковбаску (прим. або сосиску), вчені назвали карликову галактику, що була колись їх домом Gaia Sausage 2.

Така подвійна назва спричинила певну плутанину. Проте незалежно від назви карликової галактики, вона може допомогти розкрити одну з найцікавіших загадок Чумацького Шляху. Галактичний диск складається з двох частин. Перша – тонкий внутрішній диск, де збираються гази та пил, формуються молоді зорі, наче наповнювач в Oreo, що з обох боків закритий печивом. Друга частина – товстий зовнішній диск, який заповнений старшими зорями. Між астрономами ідуть палкі дебати, чи спершу виник товстий диск з газами та пилом, які потім конденсувались та утворили тонкий диск, або формування почалось з тонкого диска, який потім просто збільшився. Через те, що зірки з Gaia-Enceladus-Sausage стали значною фракцією у галактичному диску після зіткнення, вони додали нашому галактичному диску енергії, розігріли та прискорили його. Група Хемлі бачить у цьому перевагу на користь сценарію зі збільшенням галактичного диска та доказу того, що наша галактика зазнавала драматичних перетворень за свою історію.

Вибух знань

Вчених вражає швидкість з якою, використовуючи обсерваторію Gaia, можна робити настільки складні відкриття. Пані астроном Кетрін Джонстон з Колумбійського університету в Нью-Йорку пригадує шум, якій піднявся після публікації статті, що вийшла у квітні, на наступний день після оприлюднення нового сету даних. В ній вивчався рух 6 мільйонів зірок, що знаходяться недалеко від Сонця. Їх рух нагадував спіраль схожу на раковину равлика.

Візерунок був впливом невеликої супутникової галактики, відомою під назвою Стрілець, розповідає Джонстон. Кожного разу коли наша галактика та галактика Стрілець зближуються, наші зорі відчувають гравітаційні хвилі нашої супутниці. Це має викликати коливання та зміну у диску. Раніше дослідники лише припускали існування подібних впливів, але дані з Gaia підтвердили цю гіпотезу та стали першими переконливими доказами існування коливань викликаних галактикою Стрілець. «Це перевернуло мої уявлення», — розповідає Джонстон. «Спіраль була настільки чистою. Це виглядало, наче матеріалізувалась ідеальна симуляція, а не графічні дані.»

Завдяки очам Gaia, ми можемо не тільки фіксувати такі коливання, а дізнатися більше про давню історію нашої галактики. Раніше астрономи вважали, що хаотичні злиття з супутниковими галактиками траплялись лише в регіоні зовнішнього гало, а основна частина галактики проживала досить спокійне життя. Такі елементи, як спіральні рукави та смуги зірок, що перетинають центральний балдж (регіон галактики, де знаходиться більшість зірок). Зазвичай вважались наслідком внутрішньої динаміки чумацького Шляху. Проте коливання викликані Стрільцем показують, що зовнішні сили мають значно більший вплив на форму Чумацького Шляху ніж вважалось раніше.

Gaia змусить вчених переглянути звичні спрощення, які застосовують для полегшення моделей, впевнений астрофізик Адріан Прайс-Вілан з Принстонського університету в Нью-джерсі. «Тепер ми знаємо, що ці спрощення були помилкою», — додає він. «Gaia показала наскільки помилковими вони були.»

Картографування темної сторони

Картографування об’єктів Чумацького Шлях може пролити світло на темну матерію, що складає 90% маси нашої Галактики. Теоретики вважають, що наша галактика знаходиться всередині величезного, практично сферичного гало темної матерії. Вона на кшталт звичайної матерії об’єднується у невеликі структури завдяки гравітації. Космологічні симуляції показують, що тисячі великих об’єднань темної матерії обертаються навколо нашої галактики. Час від часу ці об’єднання поглинає велике скупчення темної матерії, що знаходиться в центрі галактики. Цей процес подібний до того, коли Чумацький Шлях поглинає супутникові галактики.

Більша частина цих «згустків» темної матерії мають дуже мало зірок або не мають їх зовсім. Це значно ускладнює їх виявлення. Проте Gaia вдалося виявити один у GD-1, довгому потоку зірок, що простягається на половину північного неба та був відкритий у 2006. На перший погляд, потік нічим не відрізняється від інших, проте аналіз Gaia змусив Прайса-Вілана та Анну Бонак, пані астронома з Гарвард-Смітсонівського астрофізичного центру в Кембриджі, штат Массачусетс, детальніше вивчити цей потік. Минулого листопада вони разом з двома іншими вченими виявили незвичні структурні особливості, серед яких величезний розрив. Він може бути шрамом, що залишився від зіткнення з надзвичайно масивним об’єктом приблизно 5000 мільйонів років тому. Коли імовірний об’єкт пройшов крізь потік, він міг потягнути за собою деякі зорі, вириваючи їх зі звичних орбіт.

Найімовірнішим винуватцем має бути великий згусток темної матерії. Можливо, розміром від 1 до 100 мільйонів мас Сонця, розповідає Бонак. Такі розрахунки можуть вплинути на чинну фізичну модель темної матерії. Якщо вченим вдасться виявити сучасне місцеперебування цього згустку, ми зможемо дізнатися більше про його гравітаційний вплив на іншу матерію. Або вони могли б навчити γ–телескопи шукати в таких об’єктах докази того, що частинки темної матерії знищують одна одну або розпадаються та випромінюють фотони. Кожен метод дозволить вивчати фізичні властивості неосяжної темної матерії менш опосередкованими засобами.

Прайс-Вілан стверджує, що складно зробити багато висновків з одного прикладу. Він сподівається, що систематичне вивчення каталогів Gaia та подальші спостереження, наприклад, з допомогою Великого синоптичного оглядового телескопа в Чилі, що має почати роботу на початку 2020-х, дозволить виявити більше тьмяних зірок та приховані зоряні потоки. Якщо в деяких потоках вдасться знайти сліди зіткнень зі згустками темної матерії, вони можуть дати астрономам краще уявлення про кількість та розмір таких об’єктів, а також про властивості темної матерії.

Астрономи сподіваються, що мапи Gaia дозволять їм картографувати темну сторону нашої галактики. В залежності від типу частинок, з яких складається темне гало Чумацького Шляху, воно може мати різну сферичність чи симетрію. Бєлокуров вважає, що протягом 2-4 років інформації про місцеві об’єкти від Gaia буде достатньо, щоб оцінити загальну масу та форму темної матерії.

Відкриття не обмежуються Чумацьким Шляхом. Дослідження галактичної історії та розподілення темної матерії вплине на розвиток космологічних моделей, що використовують для вивчення процесу зародження та змін великих структур у Всесвіті. Перша частина місії Gaia вже продовжена до кінця 2020. Астроном Антоні Браун з Лейденського університету в Нідерландах, який очолює команду обробки та аналізу інформації з Gaia, сподівається, що апарат продовжить збирати данні до 2024. Відтак очікувана тривалість місії сягає 10 років. Він впевнений, що така тривалість роботи дозволить пройти три стадії підвищення точності, коли апарат значно точніше вимірюватиме власний рух зірок зі збільшенням кількості обертів навколо Сонця. Це дозволить обсерваторії збирати дані про найвіддаленіші зірки нашої галактики.

Gaia ще не склала список своєї спадщини в науці, втім вже зараз очевидно, що він буде дуже значущим. Інформація від оглядів зоряного неба, наприклад, проект SDSS, навіть після декади зі свого завершення, допомагає вченим робити надзвичайні відкриття. Хелмі сподівається зазирнути ще далі в історію Чумацького Шляху, коли каталоги Gaia ставатимуть більшими та детальнішими. «Найбільше мене надихає те, що тільки почали розкопки цього минулого», — ділиться вчена.

Adam Mann Nature (16 січня 2019)

Посилання на оригінал

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

12

Это пользовательский материал, написанный участником сообщества, который не входит в состав редакции или администрации. Поддерживая авторов оценками, вы помогаете нашему сообществу развиваться.

Войдите, чтобы видеть ещё 1 комментарий, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Занимательный Пол Атрейдес
Вечность назад

У Космос стільки усього? А ми тут на землі Борсаємося! В маленькому Карцері, зі шлейною у Космос!

Невероятный Спок
Вечность назад

Саме відео вставити не зміг. Якась проблема з оновленням редактора чи щось таке. Тож ловіть його тут: https://youtu.be/9fTGPkp-CJg Merger in the early formation stages of our Galaxy (Злиття на ранніх стадіях формування нашої галактики)

Показать скрытые комментарии

Загружаем комментарии...

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Зарегистрируйтесь на сайте, чтобы не видеть рекламу, создавать и отслеживать темы, сохранять статьи в личные закладки и участвовать в обсуждениях
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.