Астрономы идентифицируют древнее сердце галактики Млечный Путь

Группе астрономов MPIA удалось идентифицировать «бедное старое сердце Млечного Пути» — популяцию звезд, оставшихся от самой ранней истории нашей родной галактики, которая находится в основных областях нашей галактики, сообщает «phys.org».

Для этого подвига «галактической археологии» исследователи проанализировали данные из последнего выпуска миссии ЕКА Gaia, используя нейронную сеть для извлечения металличностей для двух миллионов ярких гигантских звезд во внутренней области нашей галактики.

Обнаружение этих звезд, а также их наблюдаемые свойства обеспечивают долгожданное подтверждение для космологического моделирования самой ранней истории нашей родной галактики.

Наша родная галактика, Млечный Путь, постепенно формировалась на протяжении почти всей истории Вселенной, которая охватывает 13 миллиардов лет. За последние десятилетия астрономам удалось реконструировать различные эпохи галактической истории так же, как археологи реконструировали бы историю города: некоторые здания имеют явные даты постройки.

Для других использование более примитивных строительных материалов или более старых строительных стилей подразумевает, что они были раньше, как и ситуация, когда остатки находятся под другими (и, следовательно, более новыми) структурами. И последнее, но не менее важное: важны пространственные модели — для многих городов будет центральный старый город, окруженный районами, которые явно новее.

Для галактик, и, в частности, для нашей родной галактики, космическая археология протекает по очень похожим линиям. Основными строительными блоками галактики являются ее звезды. Для небольшого подмножества звезд астрономы могут точно определить, сколько им лет. Например, это верно для так называемых субгигантов, короткой фазы звездной эволюции, где яркость и температура звезды могут быть использованы для определения ее возраста.

В более общем плане, почти для всех звезд существует «строительный стиль», который позволяет вынести общий вердикт о возрасте: так называемая металличность звезды, определяемая как количество химических элементов тяжелее гелия, содержащегося в атмосфере звезды. Такие элементы, которые астрономы называют «металлами», образуются внутри звезд в результате ядерного синтеза и высвобождаются вблизи или в конце жизни звезды — некоторые, когда атмосфера звезды с низкой массой рассеивается, более тяжелые элементы сильнее, когда звезда с высокой массой взрывается как сверхновая. Таким образом, каждое поколение звезд «сеет» межзвездный газ, из которого формируется следующее поколение звезд, и, как правило, каждое поколение будет иметь более высокую металличность, чем остальные.

Что касается более масштабных структур, как и в городе, пространственное распределение имеет значение. Но учитывая, что галактика менее статична, чем город — здания обычно не перемещаются, в то время как звезды это делают — модели движения также кодируют важную информацию. Звезды Млечного Пути могут быть ограничены центральными областями, или они могут быть частью упорядоченного вращающегося движения в тонком диске Млечного Пути или толстом диске. В противном случае они могут стать частью хаотического нагромождения орбит расширенного гало звезд нашей галактики, включая очень эксцентричные, которые неоднократно погружаются во внутренние и внешние области.

Там, где города могут подвергаться строительным бумам или периодам интенсивного ремоделирования, история галактик формируется слияниями и столкновениями, а также огромным количеством свежего газообразного водорода, который течет в галактики в течение миллиардов лет, сырье для галактики, чтобы создавать новые звезды. История галактики начинается с меньших протогалактик: сверхплотных областей вскоре после Большого взрыва, где газовые облака коллапсируют, образуя звезды.

Таким образом, протогалактики сталкиваются и сливаются, они образуют более крупные галактики. Добавьте еще одну протогалактику к этим несколько более крупным объектам, а именно протогалактику, которая летит достаточно далеко от центра («большой орбитальный угловой момент»), и вы можете получить диск звезд. Сольются две достаточно крупные галактики («крупное слияние»), и их газовые резервуары будут нагреваться, образуя сложную эллиптическую галактику, сочетающую в себе недостаток нового звездообразования со сложным рисунком орбит для существующих более старых звезд.

Реконструкция такого рода истории — это вопрос сочетания все более информативных наблюдений со все более сложными симуляциями. И хотя общая картина того, что происходит по мере формирования и развития галактик, существует уже несколько десятилетий, специфика появилась сравнительно недавно — во многом благодаря исследованиям, которые дали лучшие и более полные данные.

Наша родная галактика, Млечный Путь, играет в этом особую роль. По определению, это галактика, звезды которой мы можем исследовать лучше всего и наиболее подробно. Галактическая археология, определяемая как изучение истории нашей родной галактики, не только позволяет нам реконструировать части нашей собственной более широкой истории, но и узнать что-то об эволюции галактики в целом («местная космология»).

Этот конкретный эпизод галактической археологии начался с реконструкции, опубликованной весной 2022 года: исследователи MPIA Маошэн Сян и Ханс-Вальтер Рикс использовали данные со спутника ЕКА Gaia и спектрального обзора LAMOST для определения возраста звезд в беспрецедентной выборке из 250 000 так называемых субгигантов. Из этого анализа астрономы смогли реконструировать последствия захватывающих подростковых лет Млечного Пути 11 миллиардов лет назад и его последующей более устоявшейся (или скучной) взрослой жизни.

(Подростковые годы совпали с последним значительным слиянием другой галактики, называемой Gaia Enceladus /Sausage, остатки которой были найдены в 2018 году, с Млечным Путем. Это вызвало фазу интенсивного звездообразования и привело к сравнительно толстому диску звезд, который мы можем видеть сегодня. Взрослая жизнь состояла из умеренного притока газообразного водорода, который поселился в расширенном тонком диске нашей галактики, с медленным, но непрерывным образованием новых звезд в течение миллиардов лет).

Астрономы заметили тогда, что самые старые звезды в их подростковом образце уже имели значительную металличность, примерно на 10% больше, чем металличность нашего Солнца. Очевидно, что до того, как эти звезды сформировались, должны были существовать еще более ранние поколения звезд, которые загрязняли межзвездную среду металлами.

Фактически, существование этих более ранних поколений соответствовало предсказаниям из симуляций космической истории. Кроме того, эти симуляции предсказывали, где можно разумно найти выживших представителей этих более ранних поколений. В частности, в этих симуляциях первоначальное формирование того, что позже стало нашим Млечным Путем, включало три или четыре протогалактики, которые сформировались в непосредственной близости, а затем слились друг с другом, их звезды расположились в виде сравнительно компактного ядра, не более нескольких тысяч световых лет в диаметре.

Можно найти звезды из первоначального компактного ядра, древнего сердца Млечного Пути, в центральных областях нашей галактики и вблизи них даже сегодня, миллиарды лет спустя.

Напомним, что в дополнение к тем редким звездам, где мы можем определить конкретный возраст, существует гораздо более общий показатель звездной металличности — «различные стили строительства», которые позволяют сортировать звезды на более старые и молодые.

Сочетание положения звезды на небе и ее расстояния дает нам трехмерное расположение звезды в пределах Млечного Пути. Информация о движении звезд к нам или от нас, измеренная доплеровским сдвигом их спектральных линий, в сочетании с их видимыми движениями на небе позволяет реконструировать орбиты звезд в нашей родной галактике. Если такой анализ показывает, что звезды бедного старого сердца принадлежат к двум или трем различным группам, каждая со своим собственным паттерном движения, эти группы, вероятно, будут соответствовать разным двум или трем галактикам-прародителям, чье первоначальное слияние создало архаичный Млечный Путь.