ПопулярноеРедакцияСвежее
ЛучшееОбсуждаемое

Як галактичні археологи розкопували історію Чумацького Шляху

Зараз у астрофізиків вже достатньо даних та комп’ютерних моделей, щоб віднайти непомітні сліди давнього минулого нашої галактики.

В Національному пам’ятнику динозаврів у Колорадо нічне небо всипане зірками Чумацького Шляху. Завдяки аналізу даних з нових обсерваторій, астрономи дізнавались все більше подробиць про особливість будови нашої галактики та її давньої історії. Джерело: NPS/Dan Duriscoe

В нічному небі мерхла смуга світла робить наш Чумацький Шлях схожим на переповнений потік зірок та хмар газів. На сьогодні вчені вже детально вивчили її форму та структуру. Ми знаємо, як функціонує наша галактика: спіральні рукави обертаються навколо галактичного центру, в свою чергу центральний балдж заповнений зірками та обертається навколо гігантської чорної діри. Вся ця формація оточена слабким, рихлим гало з зірок, що нестійкою сферою огортають нашу галактику, так, наче вона знаходиться всередині пухкої коробочки бавовни. Також вченим достеменно відомо про існування ще більш дифузної хмари темної матерії, яку було виявлено за особливостями руху зірок.

Як Чумацький Шлях набував своєї форми?

Ще лише десятиліття тому, вчені могли прослідковувати рух та дистанцію до обмеженої кількості зірок, тож картина еволюції структури Чумацького Шляху залишалась неповною. Проте науковий внесок останніх телескопів, зокрема Gaia від Європейського космічного агентства (2013), кардинально змінили наше бачення галактики в цілому. Їхні спостереження виявили безліч скупчень та зоряних потоків, що наче давні скам’янілості приховують в собі сліди складної історії нашої галактики.

Аміна Гелмі з Астрономічного інституту Кептейна в місті Гронінген, Нідерланди, – провідна галактична археологиня, яка вивчає залишки минулих подій, зокрема найбільш руйнівне з них: потужне, повільне зіткнення Чумацького Шляху з іншою галактикою, що сталось близько 10 мільярдів років тому.

У роботі Annual Review of Astronomy and Astrophysics (Річний огляд астрономії та астрофізики), Гелмі переконує, що в нашому галактичному диску, гало та мерхлих зоряних потоках приховані докази зіткнення галактик та інших прадавніх епізодів галактичної історії. Зараз вважають, що попри відкриття нових подробиць з минулого Чумацького Шляху, його «юність» була відносно спокійною. Гелмі зазначає, що історію молодої галактики визначали радше внутрішні взаємодії ніж зіткнення зі своїми галактичними сусідками. Рутина нашої галактичної історії – народження нових зірок з остигаючих газів та залишків старіших світил.

Втім навіть досить миролюбні часи залишили для Гелмі та її колег обширне поле для розкопок. Одним з методів таких досліджень, залишається пошук доказів у хімічному складі зірок. Вченим вдалося прослідкувати певну закономірність: кожне наступне покоління зірок мають у своєму хімічному складі певні зрушення у бік важчих елементів у порівнянні з попередньою генерацією.

Гелмі поділилася деталями свого дослідження про дивовижну історію чумацького Шляху з виданням Knowable Magazine. Нижче приведено відредаговану версія.

Що для вас означає «галактична археологія»?

Те, чим ми займаємось в галактичній археології можна назвати відновленням історії, послідовністю подій, що передували сучасному вигляду Чумацького Шляху. В класичні археології ми вивчаємо залишки або артефакти різних цивілізацій та подій. В нашому випадку залишки це – зірки, таким чином ми використовуємо зірки, щоб відтворити процес об’єднання нашої галактики. Зірки пам’ятають звідки вони, бо несуть в собі пам’ять про своє походження.

Як зірки можуть розповісти про минуле Чумацького Шляху?

Те, як вони рухаються, їхній вік та хімічний склад можуть допомогти визначити, де вони народились. Якщо ви виявили групу зірок, що мають відмінності у хімічному складі, наприклад, різну відносну кількість оксигену, магнію та заліза, це свідчить про те, що вони походять з різних середовищ. Нам достеменно відомо, що зірки, які народились в одній газовій хмарі будуть мати однакову хімічну будову. Так само, якщо вам вдалося виявити групу зірок, які рухаються в космосі одним потоком, це означає, що вони мають схожі траєкторії та походять з одного місця. Цей принцип легко масштабується та дозволяє нам визначати регіон, де саме вони народились.

Як вам та вашим колегам вдалося виявити, що молодий Чумацький Шлях сильно впливав на іншу галактику? Чи можете пояснити, як вдалося це з’ясувати?

Спершу, ми виявили, що близько половини зірок в тому, що ми називаємо гало, де знаходять прихисток старі зірки Чумацького Шляху, обертаються у зворотному напрямку, відносно переважної більшості зірок нашої галактики. Інші належать до одутлої дископодібної структури. Це було досить підозріло і могло свідчити, що гало утворилось внаслідок злиття з іншою галактикою. Проте цього факту було недостатньо, бо ми не виключали інші шляхи походження таких зірок.

Ми вирішили проаналізувати вік та хімічний склад зірок в гало, які обертаються в протилежному до більшості напрямку. Виявилось, що траєкторія їх руху має суттєві відмінності від інших зірок нашої галактики. Хімічний склад цих зірок вказує на те, що вони утворились в іншій, меншій системі.

Чумацький Шлях та його складові в перерізі. У смузі світла помітні відгалуження спіральних рукавів. В структурі прослідковуються інші компоненти, зокрема центральний балдж, де спостерігається найбільша концентрація зірок та знаходиться надмасивна чорна діра. Також у структурі помітний тонкий диск, який містить зірки, що не належать до галактичного балджу. Далі знаходиться товстий диск — ділянка з нижчою щільністю зірок ніж у тонкому диску. Тьмяні плини газу та пилу огортають галактику. Ще далі простягається зоряне гало — більш дифузна зоряна область з якою межує темне гало, що складається з незримої темної матерії. Також показані Велика та Мала Магелланові Хмари, дві карликові галактики, що випадково стикнулися з Чумацьким Шляхом.

Джерело: Knowable Magazine

Що цікавого вдалося виявити про зіткнення карликової галактики Гея Енцелад, яке сталось понад 10 мільярдів років тому?

Прогнози з наших моделей розширення Всесвіту, що базуються на знаннях про гравітацію та темну матерію, свідчать, що Чумацький Шлях мав від двох до чотирьох разів зіштовхнутись з відносно великими об’єктами, щоб збільшитись до його сучасних розмірів.  Проте ми виявили, що у гало домінує лише один об’єкт.

Подія такого масштабу настільки збурила нашу галактику що багато зірок опинилося у роздутому та розжареному товстому диску. Мої колеги згодом довели, що товстий диск, який вміщує близько однієї п’ятої всіх зірок галактики, формувався під час цієї події. У минулому галактики були насичені газом, тому під час великого зіткнення, як те, що пережила наша галактика, газові хмари збираються та утворюють регіони високої щільності. Це — одна з передумов активного зореутворення. Сплеск зореутворення збігається з часом злиття з іншим об’єктом, що дозволило Чумацькому Шляху значно наростити розміри свого диска.

Тож очевидно, що така подія стала поворотною віхою нашої галактичної історії.

Художнє бачення симуляції зіткнення між молодим Чумацьким Шляхом та іншого галактикою, що сталось близько 10 мільярдів років тому. Цю подію вдалося відтворити Аміні Гелмі та її колегам. Жовтими стрілочками показане розташування та напрямок руху зірок, що походять з іншої галактики. Джерело: ЄКА (художнє оформлення зображення), oppelman, Villalobos and Helmi (симуляція); NASA / ESA / Hubble (фото галактики)

Чи схожа історія Чумацького Шляху на історію інших галактик?

Нам важко вивчати галактики, що знаходяться на дуже великій відстані, оскільки ми не маємо детальної інформації про них та їхні зірки. Хоча з’являється все більше досліджень в яких вивчають потоки та підструктури в інших галактиках. Також вчених бентежить важливість процесів злиття подібних об’єктів. Існують дослідження, які вивчають пари взаємодіючих галактик загалом, щоб ми могли ідентифікувати об’єкти, які вже почали злиття або почнуть його у майбутньому. Теоретичні моделі формування галактик у Всесвіті, що розширюється, дозволяють нам визначити, де шукати та як знаходити докази давнього злиття з іншими галактиками.

Деякі астрономи стверджують, що Чумацький Шлях був досить спокійним місцем у порівнянні з бурхливою історією сусідніх галактик. Втім деякі моделі передбачають, що наша галактика могла пережити більше зіткнень, але я впевнена у необхідності подальших досліджень, які б дозволили окреслити ці події більш чітко.

Фактично ми можемо відмотати історію на 10 мільярдів років, але ми не знаємо, що сталося раніше. Нам потрібно отримати більше даних з тьмяніших зірок, особливо щодо їхнього хімічного складу. Втім досі ми змогли дослідити цей аспект для дуже малої кількості зірок в Чумацькому Шхяху.

Як темна матерія пов’язана з вашим дослідженням історії Чумацького Шляху?

Я думаю такий фактор, як темна матерія, яка оточує всі галактики включно з Чумацьким Шляхом, треба завжди брати до уваги. Якщо ми говоримо про злиття, то темна матерія значно прискорює його. Причина в тому, що загальна маса, яка сконцентрована в темній матерії значно більше за ту, яку мають всі зорі разом.

На сьогодні ми ще не обробили нещодавно отриману інформацію про давнє злиття Чумацького Шляху у контексті впливу на цей процес темної матерії, її кількості всередині та ззовні, її розподіл у просторі, але ми зробимо це у найближчому майбутньому. Для прикладу, якщо ви впевнені, що деякі зорі походять з одного місця але розкидані по різним локаціям, тоді ви можете вирахувати гравітаційне поле Чумацького Шляху та розподіл темної матерії в ньому.

Що нового Ви змогли дізнатись з даних телескопу Gaia, що раніше залишалося загадкою?

Вимірювання руху зірок у зоряному небі надзвичайно важка справа. До Gaia, ми вже мали вимірювання близько 2 мільйонів ближніх зірок, які ми отримали з місії Гіппаркос у дев’яностих. Зараз вже 2 мільярди. Тепер щодо об’єму: Зараз ми можемо виміряти рух зірок на відстанях у 100 разів більше ніж раніше, а точність зросла у 1000 разів. Тобто ми отримали надзвичайно якісний масив даних.

Правила гри змінилися. Тож такі дослідження були б неможливі без обсерваторії Gaia. Ми змінили наше розуміння Чумацького Шляху. Для прикладу, ми дійшли висновку, що не можемо сприймати Чумацький Шлях як ізольовану систему. Люди звикли сприймати галактики як «острівці Всесвіту», що відокремлені від власного оточення. Це важливо в контексті того, як ми ставимося до проблеми оцінки розподілу маси в галактиці. В минулому вважалось, що галактика знаходиться у рівновазі та в ній практично нічого не змінюється. Тепер ми розуміємо, що це було сильне спрощення. Оскільки дослідження руху зірок біля Сонця виявили гравітаційні впливи сусідніх галактик, які в свою чергу підпадають під вплив Чумацького Шляху.

Художнє зображення обсерваторії Gaia від Європейського космічного агентства. Її мета — картографувати положення, відстань та переміщення більше мільярда зірок Чумацького Шляху. Джерело: ESA / ATG Medialab; Фон: ESO / S. Brunier

На які перспективні інструменти ви чекаєте? Можливо, на нові телескопи або симуляції?

Нам дійсно треба зосередитись на хімії, бо знаючи співвідношення різних хімічних елементів в зірках ми можемо дізнатися де вони сформувалися та визначити їхній приблизний вік. Зараз створено проекти декількох майбутніх місій, які в осяжній перспективі можуть отримати зелене світло. Вони дозволять дізнатись хімічний склад сотень тисяч зірок, особливо, в гало Чумацького Шляху. Ми зацікавлені в багатоцільовому спектрографі, який зможе вловлювати світло багатьох об’єктів на різних довжинах хвиль, зокрема в тих діапазонах, де випромінення походить з атомів конкретних хімічних елементів.

Наприклад, один з таких встановлено на острові Ла-Пальма (Канарські острови). Ім’я цього спектрографа — WEAVE. Він досліджує небо північної півкулі. Інший подібний інструмент називається 4MOST та знаходиться в Обсерваторії Паранал в Чилі. Він вивчає небо південної півкулі. Проте для того, щоб зрозуміти, як сформувалася наша галактика, нам потрібно дивитися ширше.

В цьому нам в нагоді можуть стати комплексні симуляції галактики, що будуть включати не лише гравітацію та темну матерію. Ми робимо наші відкриття, щодо Гея Енцелад, на основі симуляцій, яким вже по 10 років. Вони не охоплюють гази та процеси зореутворення, що робить їх нереалістичними. Нам треба зрозуміти, що станеться, коли ми додамо до симуляції газ та слідкуватимемо за еволюцією зореутворення та хімічних компонентів. Це надасть більш повну та реалістичну картину історії галактики. Також важливо зрозуміти, чи ми мали одиничний випадок злиття, і як саме він вплинув на стан інших частин Чумацького Шляху, таких, як центральний балдж.

Базуючись на спостереженнях та моделях, чи можливо окреслити майбутнє Чумацького Шляху на наступні декілька мільярдів років?

Через декілька мільярдів років Чумацький Шлях зіштовхнеться з Великою та Малою Магеллановими Хмарами. Ще приблизно через мільярд років відбудеться зіткнення з галактикою Андромеда. Це стане поворотною подією в історії Чумацького Шляху. Ці два об’єкти мають приблизно однакову масу, а коли такі структури зливаються, то зазвичай формується еліптична галактика, колова структура без диску та спіральних рукавів. Зараз ми можемо припускати, що обидві галактики матимуть достатньо багато газу, а їхнє об’єднання призведе до сплеску зореутворення. Тож у майбутньому наше небо буде виглядати зовсім по іншому.

Джерело

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

14
Войдите, чтобы видеть комментарии, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
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.