Начиная с 1610 года, когда знаменитый эрудит эпохи Возрождения Галилео Галилей стал наблюдать за ночным небом с помощью телескопа собственного изготовления, астрономы постепенно поняли, что наша Солнечная система является частью огромного скопления звёзд, известного сегодня как галактика Млечный Путь. К 20 веку у астрономов уже появилось неплохое представление о её размерах и структуре. Выяснилось, что Галактика состоит из центральной выпуклости — балджа, окружённой вытянутым диском со спиральными рукавами. Но несмотря на всё, что мы уже узнали, описание истинной морфологии Млечного Пути остаётся сложной задачей для астрономов.

Поскольку мы, наблюдатели, находимся внутри диска Млечного Пути, мы не можем видеть через его центр и посмотреть, что находится с другой стороны. Однако, используя различные методы, астрономы всё ближе подходят к воссозданию вида галактики «с высоты птичьего полёта». Например, группа исследователей из Китайской академии наук (CAS) впервые использовала точное расположение очень молодых объектов в нашей галактике для определения морфологии Млечного Пути. Они увидели множество рукавов — два симметричных рукава во внутренней области и множество рукавов неправильной формы во внешней области.

Группу возглавлял Сюй Е, радиоастроном из обсерватории Пурпурной горы в Нанкине и Школы астрономии и космических наук (SASS) при Университете науки и техники Китая (UCAS). К нему присоединились несколько астрономов и астрофизиков из обсерватории Пурпурной горы, SASS/UCAS и Национальной астрономической обсерватории Китая в Пекине. Статья с описанием их результатов под названием «Как выглядит Млечный Путь?» недавно появилась в журнале The Astrophysical Journal.


Вид на Млечный Путь (глазами художника). Отмечено расположение Солнца и звездообразующей области (мазерный источник G007.47+00.05) на противоположной стороне в спиральном рукаве Скутум – Центавр

Нашими знаниями о структуре Млечного Пути мы во многом обязаны новаторской работе Уильяма У. Моргана, который сыграл важную роль в классификации звёзд и галактик. В 1950-х годах он и его коллеги использовали спектроскопические измерения параллакса звёзд большой массы для составления карты Млечного Пути и обнаружили три коротких сегмента спирального рукава. Вскоре после этого на основе расстояний до облаков нейтрального водорода, полученных кинематическими методами, была составлена карта крупномасштабной структуры, которая показала, что эти спиральные рукава простираются почти по всему галактическому диску.

Однако было обнаружено, что расстояния до облаков нейтрального водорода измерены с большими погрешностями из-за их особых некруговых движений, что сделало результаты этих ранних исследований ненадёжными. Фотометрические методы гораздо более точны, чем кинематические. Однако их можно использовать только для определения объектов на расстояниях до 2 килопарсек (~6500 световых лет) – или примерно 6,5% диаметра Млечного Пути. По этой причине кинематические методы по-прежнему широко используются для изучения всего Млечного Пути. Это привело к созданию современных карт, включающих четыре основных рукава: рукава Стрельца, Ориона, Персея и Лебедя (по порядку от ближайшего до наиболее удалённого от галактического центра).

Несмотря на усовершенствование кинематических и оптических методов, определение структуры Млечного Пути остаётся серьёзной проблемой для астрономов. В связи с этим продолжаются споры по таким основным вопросам, как количество рукавов, существование некоторых спиральных рукавов и общий размер Млечного Пути (оценки имеют погрешность в 3 590 световых лет). Как сказал Йе, лучший способ разрешить эти дебаты — использовать молодые звезды в качестве «спиральных маркёров», что позволит получить точные данные по расстояниям:

«Прямое картирование спиральной структуры Млечного Пути оказалось непростым делом. Помогают прослеживать спиральные рукава галактик регионы звездообразования и молодые звезды. Зная расстояния до областей звездообразования или молодых звёзд, можно определить их местоположение в трёх измерениях и построить плоскостной вид — вид сверху диска Млечного Пути. Астрономы могут понять Млечный Путь, только если узнают расстояния до молодых объектов, поэтому методы измерения расстояний очень важны».


Инфракрасное изображение Мессье 81, полученное космическим телескопом Спитцер

У галактик, похожих на Млечный Путь, спиральные рукава состоят из двух основных компонентов: спирального узора, получающегося из более старого звёздного населения, и областей разреженного или уплотнённого межзвёздного газа и молодых объектов. К ним относятся области звездообразования высокой массы, массивные O-B звезды, области межзвёздного водородного газа, молодые открытые скопления и другие. С начала века астрономы добились значительного прогресса в измерении структуры Млечного Пути с помощью молодых объектов.

Во многом это связано с появлением интерферометрии с очень длинной базовой линией, которая позволила точно измерить расстояние до звездообразующих регионов по всей Галактике с помощью тригонометрического параллакса. Обсерватория Gaia ЕКА также предоставила точные данные о правильном движении и расстоянии многих молодых звёзд, что помогло астрономам определить спиральную структуру галактики в окрестностях Солнечной системы. Сочетание более точных измерений расстояния и скорости привело Ю и его коллег к некоторым интересным выводам. Как пояснил он:

«Традиционно можно построить простую модель скорости вращения звёзд и звездообразующего газа как функцию расстояния от центра Млечного Пути. Затем, измерив компонент скорости вращения звезды или газа в пределах прямой видимости, можно определить расстояние до неё, сопоставив результаты наблюдений с предсказаниями модели (то есть кинематическое расстояние).

Используя точные данные о местоположении очень молодых объектов, предоставленные проектами BeSSeL и VERA (VLBI) и спутником Gaia компании ESO, мы впервые обнаружили, что у нашей Галактики многорукавная морфология, состоящая из двухрукавной симметрии во внутренних частях и распространяющаяся на внешние области, где есть несколько длинных и нерегулярных рукавов».


На этом снимке, сделанном космическим телескопом Хаббл, изображена флоккулентная спиральная галактика NGC 4237.

Согласно результатам, полученным командой, структура Млечного Пути состоит из рукавов Персея и Нормы во внутренней области и рукавов Центавра, Стрельца, Карины, Внешнего и Местного рукавов во внешней области. Эти выводы подтверждаются наблюдениями за внешними спиральными галактиками, которые по своей морфологии делятся на три различные категории. К ним относятся галактики с упорядоченной структурой, многорукавные и флоккулентные галактики — они различаются по выраженности структуры их спиральных рукавов.

В то время как у упорядоченных галактик, таких как M81 (см. выше), есть чётко выраженные спиральные рукава, многорукавные флоккулентные галактики, такие как NGC 4237 (см. выше), более пёстрые, а спиральные рукава у них прерывистые, что придаёт им более «пушистый» [flock] вид. Кроме того, почти не нашлось галактик, у которых наблюдались бы четыре спиральных рукава, простирающихся от центров к их внешним областям. Как резюмировал Ю:

«В нашей работе, основывающейся на высокоточных данных о различных молодых объектах, мы обнаружили, что Млечный Путь — многорукавная галактика. В этом заключается ключевое отличие нашей карты от существующих карт, что даёт возможную альтернативу для будущих исследований структуры Галактики. Кроме того, у 83% многорукавных внешних галактик есть два чётко выраженных внутренних рукава. Поэтому в данном случае морфология нашей Галактики схожа с морфологией большинства многорукавных галактик во Вселенной. Короче говоря, наши результаты указывают на то, что спиральная структура Млечного Пути может быть не столь уникальной, как считалось ранее».

У этих выводов могут оказаться серьёзные последствия для нашего понимания Млечного Пути. Приятно также осознавать, что с точки зрения морфологии наша галактика не флуктуация, а пример статистически значимого астрономического объекта.