За последние два года астрономы переписали историю нашей Галактики

Цифровая симуляция столкновения крупной галактики, похожей на Млечный Путь, с карликовой галактикой. Астрономы считают, что в процессе формирования Млечного Пути он участвовал, по меньшей мере, в одном подобном столкновении.

Представители койсанских народов из Чёрной Африки, наблюдая за извилистой полосой из звёзд и пыли, разделяющей ночное небо, видели в ней угли костра. Полинезийские моряки видели в небе акулу, пожирающую облака. Древние греки видели поток молока, и называли эту дорожку «млечной» – galaxias – откуда в последствии и взялся термин "галактика".

В XX веке астрономы обнаружили, что наша серебристая река – это всего лишь часть огромного острова из звёзд, после чего они написали собственную историю происхождения Галактики [когда стало понятно, что Млечный Путь – не единственная галактика, слово «Галактика» с большой буквы оставили как ещё одно имя собственное для Млечного Пути / прим. пер.]. В кратком изложении, Млечный Путь появился около 14 млрд лет назад в результате слияния огромных облаков газа и пыли под воздействием гравитации. Со временем появились две характерные структуры – сначала огромное сферическое «гало», а потом – плотный яркий диск. Прошли миллиарды лет, и внутри диска появилась наша собственная Солнечная система. И теперь, глядя ночью на небо [в местности с относительно низким световым загрязнением / прим. пер.] мы видим разлитое молоко – или протянувшийся в небе диск со стороны ребра.

Но всё же за последние два года исследователи переписали почти все основные главы истории Галактики. Что случилось? Они получили данные лучшего качества.

25 апреля 2018 года европейский космический аппарат "Гайя" выдал ошеломляющий объём информации о небе. Самое главное, что в собранных за год аппаратом данных содержалось подробное описание движения порядка миллиарда звёзд. В предыдущих исследованиях размечалось движение лишь нескольких тысяч. Эти данные оживили статичную ранее галактику. «Гайя запустила новую революцию», — сказал Федерико Сестито, астроном из Страсбургской астрономической обсерватории во Франции.

Астрономы помчались скачивать динамическую карту звёзд, после чего появился целый водопад открытий. Было обнаружено, к примеру, что некоторые части диска имеют невозможно большой возраст. Были найдены свидетельства эпических столкновений, формировавших горячую молодость Млечного Пути, а также признаки того, что Галактика по сию пору продолжает перемешиваться неожиданным образом.


Спутник «Гайя» произвёл революцию в понимании Млечного Пути после запуска в декабре 2013

Все эти результаты в комплексе составляют новую историю бурного прошлого нашей Галактики и её непрерывного развития в будущем. «Наше представление о Млечном Пути очень быстро поменялось» ,- сказал Майкл Питерсен, астроном из Эдинбургского университета. «Теперь считается, что Млечный Путь – это не статичный объект. По всему его объёму всё очень быстро меняется».

Самые ранние звёзды

Чтобы заглянуть в самые ранние дни Галактики, астрономы ищут звёзды, существовавшие в те времена. Они состояли только из водорода и гелия, самых изначальных материалов Вселенной. К счастью, самые мелкие звёзды того поколение также и сгорают гораздо медленнее остальных, поэтому многие светятся до сих пор.

После десятилетий наблюдений исследователи составили каталог из 42 старожилов, известных, как звёзды, ультра-бедные металлом («металлом» астрономы называют всё, что тяжелее гелия). По стандартной истории развития Млечного Пути эти звёзды должны тусоваться по всему объёму гало – части Галактики, появившейся в первую очередь. А диск – на раскрутку и уплощение которого должно было, по подсчётам, уйти порядка миллиарда лет – должен быть заселён звёздами с более тяжёлыми элементами, такими, как углерод или кислород.



В конце 2017 года Сестито решил изучить, как движется этот бедный металлами рой, написав программу, анализирующую результаты, полученные в проекте «Гайя». Возможно, их лежащие на сфере траектории могли бы подсказать историю возникновения гало.

Он извлёк из полного набора данных информацию по траекториям 42 древних звёзд. Оказалось, что большинство из них, как и было предсказано, двигались в рамках гало. Однако некоторые – примерно 1 из каждых 4 – двигались по-другому. Они, казалось, застряли в плоскости диска – самом молодом участке Млечного Пути. «Да что за чёрт, — удивился Сестито, хотя в тот момент он употребил немного другое слово. – Что вообще происходит?»

Последующие исследования подтвердили, что эти звёзды уже давно находятся в диске, и не являются просто проходящими сквозь него туристами. На основе двух недавних наблюдений Сестито с коллегами собрали библиотеку на 5000 звёзд, бедных металлами. Несколько десятков из них определённо оказались постоянными жителями диска. Другая группа учёных прочесала ещё 500 звёзд, найденных во время другого наблюдения, и обнаружила, что у каждой десятой из них орбиты лежат в плоскости диска. Третья группа учёных изучила несколько звёзд различной металличности (и, следовательно, различных возрастов), движущихся по орбитам внутри плоского диска. «Это было нечто совершенно новое», — сказала ведущий автор одной из работ Паола ди Маттео, астроном из Парижской обсерватории.

Как туда попали эти анахронизмы? Сестито предположил, что отдельным скоплениям древнего газа каким-то образом удавалось избегать всех металлов, извергаемых сверхновыми в течение длительных периодов времени, после чего из этого газа формировались обманчиво старые звёзды. Или же диск начал обретать свою форму одновременно с гало – на 1 млрд лет раньше графика.

Чтобы узнать, какое из этих предположений более вероятно, он связался с Тобиасом Баком, исследователем из Потсдамского астрофизического института в Германии, специализирующимся на создании цифровых симуляций галактик. В прошлом такие попытки обычно приводили к тому, что гало формировалось первым, а диск – впоследствии, как и ожидалось. Однако попытки эти имели относительно низкое разрешение.


В этих цифровых симуляциях галактика, похожая на наш Млечный Путь, формируется и развивается в течение 13,8 млрд лет – от начала Вселенной и до сегодняшнего дня. В левом столбце демонстрируется распределение невидимой тёмной материи. В среднем – температура газа (синий – холодные участки, красный – горячие). В правом – плотность звёзд. Ряды отвечают за масштаб: верхний ряд – вид на галактический диск вблизи. Средний – чуть подальше, с видом на гало. Нижний – вид издалека, показывающий окружение галактики.

Бак увеличил разрешение симуляций примерно в 10 раз. Каждый запуск такой симуляции требовал значительных вычислительных ресурсов. И хотя у него был доступ к суперкомпьютерному центру им. Лейбница в Германии, на одну симуляцию уходило порядка трёх месяцев вычислительного времени. И он повторил это шесть раз.

Пять раз из шести получился двойник Млечного Пути. В двух из этих симуляций в диске содержалось значительное количество звёзд, бедных металлами.

Откуда эти древние звёзды взялись в диске? Это, проще говоря, были звёздные иммигранты. Некоторые из них родились в облаках, появившихся ещё до Млечного Пути. Затем эти звёзды из облаков просто оказались на таких орбитах, которые в будущем сформируют часть галактического диска. Другие звёзды происходят из карликовых галактик, столкнувшихся с Млечным Путём и вставших в плоскость формировавшегося диска.

Результаты, опубликованные исследователями в ноябре 2020, говорят о том, что классические модели формирования Галактики были неполными. Газовые облака действительно схлопываются в сферические гало. Но звёзды, приходящие под подходящими углами, могут в то же самое время запустить формирование диска. «Теоретики не были неправы, — сказал Бак. – Они просто упустили часть общей картины».

Бурная молодость

Сложности на этом не закончились. «Гайя» помогла обнаружить прямые свидетельства катастрофических столкновений. Астрономы и так предполагали, что у Млечного Пути была активная жизнь, но Гельмер Коппельман, работающий в Принстонском институте передовых исследований, при помощи данных с «Гайи» сумел найти конкретные остатки одного из крупнейших слияний.

Коппельман вспоминает, что данные «Гайи» в апреле 2018 года опубликовали в среду, и из-за бешеной гонки скачиваний файлов сайт проекта практически встал. В четверг он обработал данные, а к пятнице уже знал, что наткнулся на что-то крупное. По всем направлениям в больших количествах встречались звёзды, скачущие туда и сюда в центре Млечного Пути сходным и странным способом. Это было свидетельство того, что появились они в карликовой галактике. К воскресенью у Коппельмана с командой уже была готова короткая научная работа, а более подробный анализ был готов к июню.

Обломки столкновений галактик можно было встретить где угодно. Вплоть до половины звёзд во внутренней области гало диаметром в 60 000 световых лет (само гало имеет радиус в сотни тысяч световых лет) могло появиться в результате одного этого столкновения. Оно могло увеличить общую массу Млечного Пути на 10%. «Это всё меняет,- сказал Коппельман. – Я ожидал, что там будет множество разных мелких объектов».


Симуляция, демонстрирующая формирование и развитие галактики, похожей на Млечный Путь, в течение 10 млрд лет. Множество мелких, карликовых галактик, попадают в диск основной, и часто становятся её частью.

Группа назвала галактику, столкнувшуюся с нашей, Гайя-Энцелада, в честь греческой богини Гайи и её сына от Титана, Энцелада. Ещё одна команда независимо открыла эту же галактику примерно в то же самое время, и назвала её «Сосиской» в честь её формы на некоторых картах орбит.

После столкновения Млечного Пути и Гайа-Энцелады, случившегося, вероятно, около 10 млрд лет назад, по хрупкому диску Млечного Пути разошлись масштабные повреждения. Астрономы спорят о том, почему диск нашей Галактики состоит как бы из двух – тонкого диска, и более толстого, в котором звёзды, вращающиеся вокруг центра Галактики, прыгают вверх и вниз. Сегодня исследование ди Маттео говорит о том, что Гайа-Энцелада просто разорвала большую часть диска, из-за чего во время столкновения он стал более толстым. «Первый древний диск сформировался довольно быстро, а потом, как мы считаем, Гайа-Энцелада его просто уничтожила», — сказал Коппельман.

В шаровых звёздных скоплениях также можно найти намёки на другие слияния. Дьедерик Крюйссен, астроном из Гейдельбергского университета в Германии, использовал симуляции галактик для обучения нейросети, тщательно исследовавшей шаровые скопления. Он запустил сеть на изучение возраста, состава и орбит скоплений. На основании полученных данных нейросеть смогла воссоздать столкновения, формировавшие галактики. А потом он применил эту информацию к реальным данным по Млечному Пути. Программа восстановила как известные события, типа столкновения с Гайа-Энцеладой, так и более древнее и значительное слияние, которое группа учёных окрестила Кракеном.

В августе группа Крюйссена опубликовала список слияний Млечного Пути и сформировавших его карликовых галактик. Также учёные предсказали ещё 10 произошедших в прошлом столкновений, подтверждения которых они надеялись получить у независимых наблюдателей. «Мы пока не нашли эти десять столкновений, — сказал Крюйссен, — но найдём».

Все эти слияния натолкнули некоторых астрономов на мысль, что гало может почти полностью состоять из звёзд-иммигрантов. Модели 60-х и 70-х годов предсказывали, что большинство звёзд Млечного Пути должны были сформироваться на месте. Но со временем всё больше и больше звёзд оказываются пришельцами. Вероятно, астрономам уже не нужно предполагать, что многие, или вообще хоть какие-то звёзды родились на месте, говорит ди Маттео.

Тихо растущая галактика

В последнее время история Млечного Пути была довольно тихой, однако к ней всё равно продолжают стремиться новички. Любители астрономии из южного полушария могут невооружённым глазом увидеть парочку карликовых галактик, Большое и Малое Магеллановы Облака. Астрономы давно считали эту парочку преданными спутниками нашей Галактики, что-то вроде лун Млечного Пути.

Но затем несколько наблюдений телескопа Хаббл, проведённых между 2006 и 2013 годами, показали, что они больше похожи на летящие к нам метеориты. Нитья Калливайалил, астроном из Виргинского университета, подсчитал, что они несутся прямо на нас со скоростью порядка 300 км/с – почти в два раза быстрее, чем считалось ранее.


Восход Большого и Малого Магеллановых Облаков над горой Бромо – активным вулканом в национальном парке острова Ява в Индонезии

Когда команда под руководством Хорхе Пеньяррубии, астронома из Эдинбургской королевской обсерватории, через несколько лет обработали данные, они заключили, что эти скоростные облака должны быть очень массивными – вероятно, раз в 10 тяжелее, чем считалось ранее.

«Прямо сюрприз за сюрпризом», — сказал Пеньяррубиа.

Различные группы предсказали, что неожиданно тяжёлые карлики могут таскать за собой части Млечного Пути, и в этом году Пеньяррубиа объединился с Питерсеном, чтобы найти доказательства этого.

Проблема с изучением движения галактик состоит в том, что Млечный Путь – это яростная метель из звёзд, а астрономы пытаются смотреть наружу с одной из снежинок. Поэтому Пеньяррубиа с Питерсеном большую часть карантина придумывали, как нейтрализовать движения Земли и Солнца, а также усреднить движение звёздного гало, чтобы внешняя его граница могла служить неподвижным фоном.

Откалибровав данные таким образом, они обнаружили, что Земля, Солнце, и весь остальной диск, в котором они находятся, кренятся в одном направлении. Но движутся они не к текущему местоположению Большого Магелланового Облака, а к тому месту, где оно было миллиард лет назад (Питерсен пояснил, что Галактика – это неуклюжий зверь с медленными рефлексами). Недавно они подробно описали свои открытия в журнале Nature Astronomy.

Движение диска относительно гало разрушает фундаментальное предположение о наличии баланса в Млечном Пути. Он может крутиться и скользить в пространстве, но большинство астрономов предполагали, что после миллиардов лет взрослый диск и гало сформировали стабильную конфигурацию.

Анализ Пеньяррубиа и Питерсена доказывает ложность этого предположения. Даже после 14 млрд лет слияния продолжают формировать общую форму Галактики. Это самое новое изменение в нашем понимании процессов, идущих в гигантском млечном потоке, висящем в нашем небе.

«Теперь нам нужна новая модель для описания будущего и истории Млечного Пути, которые мы считали уже известными», — сказал Питерсен.