Центр Млечного Пути, как он виден из Чили. Его ядро содержит очень старые звезды, возникшие ещё в начале космической истории

Ядро нашей галактики Млечный Путь привлекает внимание астрономов, как огонь — мотыльков. Это связано с тем, что там происходит множество разнообразных процессов. Там не только расположена сверхмассивная чёрная дыра — там есть и скопления очень древних красных звёзд-гигантов, которыми центр просто кишит. Большинство из них возникло не позднее начала формирования самой Галактики.

Астрономы использовали телескоп Canada-France-Hawai'i на Гавайях для изучения некоторых из этих звёзд. Они хотели понять их характеристики и продолжительность жизни. Наблюдения проводились в рамках проекта «Pristine Inner Galaxy Survey (PIGS)». В рамках этого проекта уже несколько лет изучается ядро Млечного Пути, чтобы понять, что такое древние звёзды.

PIGS — древние звёзды в ядре

Другие исследования показали, что звёзды начали формироваться в том месте, которое сейчас представляет собой ядро Млечного Пути. Звёзды PIGS — это оставшиеся «коренные жители» Млечного Пути. Они медленно вращаются вокруг ядра и проводят там большую часть своей жизни. По химическому составу они сильно отличаются от более молодых звёзд, разбросанных по всей Галактике. Старички состоят в основном из водорода и гелия, что свидетельствует о том, что они образовались в очень раннюю эпоху космической истории. Для сравнения, более молодые звезды Млечного Пути демонстрируют более высокое содержание таких «металлов» [так астрономы называют элементы тяжелее гелия / прим. перев.], как углерод, кислород, азот и т.д.

Художественное изображение древних звёзд во внутренней области Млечного Пути. Слева выделены некоторые примеры орбит звёзд. Справа показано расположение этих звёзд в Галактике по отношению к Солнцу, медленно вращающемуся вокруг него

Во Вселенной существует множество звёзд, которые образовались вскоре после Большого взрыва из среды, в основном богатой водородом и гелием. Астрономы могут использовать их в качестве «образцов» для изучения звёзд в нашем собственном Млечном Пути, чтобы определить, каким он был в период своего становления. Как правило, такие старые звезды существуют в ядре Галактики и в рое звёзд, образующих разреженное гало Млечного Пути.

По словам члена группы PIGS Анке Аренцен, данное исследование, по-видимому, подтверждает, что в рамках обзора наблюдаются самые старые звезды в Галактике. «Очень интересно думать, что мы видим звезды, сформировавшиеся на самых ранних стадиях существования Млечного Пути, которые ранее были практически недоступны, — сказала Аренцен. — Эти звезды, вероятно, сформировались менее чем через миллиард лет после Большого взрыва и представляют собой реликты ранней Вселенной».

Что древние звёзды говорят об истории Млечного Пути

Когда вы рассматриваете модели формирования галактик, пытаясь понять, как возник Млечный Путь, вы видите общую тенденцию к собиранию материи в скопления. Это происходит снова и снова, начиная с протогалактики и заканчивая столкновениями галактик и образованием звёзд и планет. Астрономы называют это «иерархической моделью».

Согласно иерархической модели образования галактик, сначала формируются небольшие галактические строительные блоки, которые в течение жизни Вселенной объединяются во всё более крупные галактики. Звёзды формируются на ранних стадиях этого процесса

Существуют две основные модели развития галактик. Согласно одной из них, ранняя Вселенная представляла собой смесь из сгустков газа и преимущественно тёмной материи. Эти сгустки гравитационно взаимодействовали между собой. В конце концов, обычная (не тёмная) материя (так называемая барионная материя) в сгустках охладилась и начала сжиматься. Вращаясь, она образовывала протодиск, и в конце концов распадалась на более мелкие сгустки внутри диска. Эти сгустки, по сути, и стали первыми звёздами. На следующем этапе эволюции Вселенной галактики-малютки сталкивались друг с другом и образовывали более крупные. Так в двух словах можно описать то, что астрономы называют теорией образования «сверху вниз».

По другим предположениям, процесс звездообразования начался с небольших газовых облаков, которые превратились в протогалактики. В конце концов, протогалактики слились и образовали более крупные галактики, которые начали вращаться и образовывать дископодобные структуры. Это часто называют теорией образования «снизу вверх». В обоих случаях конечные галактики оставались заключёнными в ореолы тёмной материи, что мы и наблюдаем сегодня.

Обе модели предполагают, что самые старые звезды в галактике должны находиться в плотных внутренних областях. Это, несомненно, справедливо для Млечного Пути. А с помощью спектроскопии астрономы обнаружили, что химические свойства этих древних звёзд соответствуют свойствам самых ранних звёзд во Вселенной.

Какие они, звёзды возрастом 12 миллиардов лет?

Итак, какое место в иерархии занимает Млечный Путь? Он начал формироваться около 13,6 млрд. лет назад, и его первоначальным «ядром» была меньшая протогалактика. Для сравнения: сама Вселенная возникла в результате Большого взрыва, который, как сейчас считается, произошёл не менее 13,8 млрд. лет назад. Таким образом, самые ранние звёзды Млечного Пути не совсем ровесники Вселенной. Но поскольку они образовались так рано, то являются прекрасными образцами, позволяющими понять, какими были условия в самые ранние эпохи истории звездообразования.

Чтобы подтвердить свои представления об этих древних звёздах, астрономам необходимо «увидеть» ядро Млечного Пути. Это не всегда было просто. Оно скрыто огромными облаками газа и пыли, поэтому визуальные наблюдения практически невозможны. Если же астрономы используют специальные фильтры на телескопах или смотрят на других частотах света (например, в инфракрасном или радиодиапазоне), то они могут довольно легко обнаружить эти звезды. Следующий шаг — определить их возраст, изучая их свет на предмет содержания металлов. Старых звёзд не так много по сравнению с их более молодыми собратьями в других частях Галактики. Поэтому астрономы ищут звезды с низким содержанием металла, которые, скорее всего, и будут более старыми.

На этом красочном инфракрасном снимке, полученном с помощью космического телескопа НАСА «Спитцер», видны сотни тысяч звёзд, скопившихся в закрученном ядре нашей спиральной галактики Млечный Путь

Что эти звёзды говорят о Млечном Пути

Наблюдения PIGS в сочетании с более ранними данными обзора GAIA позволили проследить движение этих звёзд в Галактике. Оказалось, что у старых звёзд движения более хаотичны, но они, как правило, в среднем сохраняют траекторию вращения вокруг ядра. Как правило, большинство древних звёзд находится в сферической области, простирающейся примерно на половину расстояния между ядром Галактики и Солнцем. Однако некоторые из них находятся в разреженном гало, окружающем Галактику, где их легче обнаружить. А их возраст помогает астрономам сделать некоторые обоснованные предположения о самом Млечном Пути.

«Мы знаем, что они старые, благодаря их химическому составу, — говорит Аренцен. — Но у нас нет точных оценок возраста наших звёзд: это одна из самых сложных задач, и химический состав является хорошим косвенным показателем возраста». Также трудно определить возраст самого Млечного Пути, поскольку он образовался в результате слияния более мелких систем, и неясно, с какого момента его уже можно называть «Млечным Путём». Но почти наверняка все эти звёзды родились до того, как в Млечном Пути начал формироваться диск, а некоторые из них даже образовались в самых первых строительных блоках галактики до того, как они слились и «породили Млечный Путь».

Следующие шаги

Аренцен представила результаты исследования PIGS на заседании Королевского астрономического общества. До этой презентации она и её команда опубликовали другие результаты исследования PIGS, полученные за несколько лет. Они также посвящены изучению характеристик стареющих звёзд в центре Млечного Пути.

Как такие древние звёзды могут существовать до сих пор? Предположительно, большинство самых старых звёзд во Вселенной уже давно взорвались в виде сверхновых или покончили с жизнью каким-либо другим способом. В ядре галактики, вероятно, многие из них могут быть поглощены растущей сверхмассивной чёрной дырой. Именно поэтому Аренцен и его коллеги обратили особое внимание на красные гиганты, которые относятся ко второму поколению звёзд, образовавшихся после гибели первых. Эти древние звезды могут жить гораздо дольше, чем самые первые звезды. Это особенно верно, если их масса меньше массы Солнца.

Дальнейшие исследования сердца Млечного Пути позволят узнать больше о формировании, жизни и движении этих ранних звёзд. «Объёмы доступных данных по этим древним объектам быстро растут, — сказала Аренцен. — Я с нетерпением жду, что мы в ближайшие несколько лет ещё сможем узнать об этих первых звёздах, населяющих нашу Галактику!»