Древнейшая часть Млечного Пути намного старше, чем мы думали раньше

Млечный Путь старше, чем считали астрономы, или его часть. Недавно опубликованное исследование показывает, что часть диска на два миллиарда лет старше, чем мы думали.

Эта область, называемая толстым диском, начала формироваться всего через 0,8 миллиарда лет после Большого взрыва.

Пара астрономов собрала воедино историю Млечного Пути более подробно, чем когда-либо. Их результаты основаны на подробных данных миссии Gaia ЕКА и китайского телескопа Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope (LAMOST). Ключ к этому открытию лежит в звездах-субгигантах.

Работа называется "Резонансная по времени картина истории раннего формирования нашего Млечного Пути" и опубликована в журнале Nature. Авторы работы - Маошэн Сян и Ханс-Вальтер Рикс, оба из Института астрономии Макса Планка (MPIA).

Одна из самых сложных вещей, которую можно определить о звезде, - это ее возраст. Состав звезды, или металличность, является ключом к определению ее возраста. Чем точнее астрономы смогут измерить металличность, тем точнее они смогут определить ее возраст.

Ранняя Вселенная содержала почти исключительно водород и гелий. Элементы тяжелее водорода и гелия образуются в звездах и распространяются во Вселенной, когда эти звезды умирают и взрываются. Астрономы называют все элементы тяжелее двух первобытных элементов "металлами".

Звезды с более низкой металличностью старше, потому что они сформировались, когда в основном были доступны только водород и гелий. Поэтому, когда астрономы обнаруживают популяцию звезд, содержащих в основном водород и гелий, они знают, что эти звезды старше. Когда они находят популяцию звезд с более высокой долей металлов, они знают, что эти звезды должны быть моложе.

Точные измерения возраста - это святой Грааль в некоторых аспектах астрономии, что верно и в данном случае. Сян и Рикс использовали не только металличность для определения звездного возраста. Они сосредоточились на определенном типе звезд: субгигантах.

Фаза субгигантов в жизни звезды относительно коротка, поэтому астрономы могут наиболее точно определить возраст звезды, когда она является субгигантом. Субгиганты переходят к красным гигантам и больше не производят энергию в своих ядрах. Вместо этого термоядерный синтез переместился в оболочку вокруг ядра.

В этом исследовании пара ученых использовала данные LAMOST для определения металличности около 250 000 звезд в разных частях Млечного Пути. Они также использовали данные Gaia, которые дают точные данные о положении и яркости около 1,5 миллиардов звезд.

Миссия Gaia ЕКА отвечает за повышение точности этого исследования и многих других. До Gaia астрономы обычно работали с неопределенностью звездного возраста от 20 до 40 процентов. Это означало, что возраст может отличаться на один миллиард лет, что очень много.

Но "Гайя" все это изменила. Текущий выпуск данных миссии - Gaia EDR 3 или Early Data Release 3, и это значительное улучшение. EDR3 дает точные 3D-позиции более 330 000 звезд. Он также дает высокоточные измерения движения звезд в пространстве.

Исследователи использовали все эти данные с Gaia и LAMOST и сравнили их с известными моделями звездных параметров, чтобы определить возраст субгигантов с большей точностью. "Благодаря данным о яркости Gaia мы можем определить возраст звезды-субгиганта с точностью до нескольких процентов", - сказал Маошэн.

Субгиганты разбросаны по разным частям Млечного Пути, что позволяет исследователям собрать воедино возраст других компонентов и построить временную шкалу истории Млечного Пути.

Исследование показывает две различные фазы в истории нашей галактики. Первая фаза началась 0,8 миллиарда лет назад, когда в толстом диске начали формироваться звезды. Внутренние области галактического гало тоже начали развиваться.

Через два миллиарда лет после этого слияние привело к завершению звездообразования в толстом диске. Карликовая галактика под названием Гайя-Саусаж-Энцелад слилась с Млечным Путем.

Карликовая галактика Gaia-Sausage-Enceladus (GSE) не похожа по форме на сосиску. Свое название она получила благодаря тому, что ее звезды изображены на графике скоростей, где их орбиты сильно вытянуты. Когда GSE слилась с Млечным Путем, она помогла создать толстый диск, а газ, пришедший вместе с ней, подпитывал звездообразование в этой части галактики.

В результате слияния гало Млечного Пути также наполнилось звездами. Астрономы считают, что шаровое скопление NGC 2808 может быть остаточным ядром Гайской колбасы. NGC 2808 - одно из самых массивных шаровых скоплений в Млечном Пути.

Звездообразование в толстом диске, вызванное GSE, продолжалось около 4 миллиардов лет. Примерно через 6 миллиардов лет после Большого взрыва газ был полностью израсходован. В этот период металличность толстого диска увеличилась более чем в десять раз.

Исследование также обнаружило очень тесную корреляцию между металличностью и возрастом звезд во всем диске. Это означает, что газ, пришедший с GSE, должен был быть турбулентным, что привело к его более тщательному перемешиванию в диске.

Астрономы обнаружили слияние GSE совсем недавно, в 2018 году. Такие открытия, как это, сформировали наше понимание истории Млечного Пути, и график развития галактики становится все более четким. Новое исследование дает нам более подробный отчет.

"С момента открытия древнего слияния Гайя-Саузаж-Энцелад в 2018 году астрономы подозревали, что Млечный Путь уже существовал до формирования гало, но у нас не было четкой картины того, как выглядел этот Млечный Путь", - говорит Маошэн.

Наши результаты позволяют получить изысканные подробности об этой части Млечного Пути, такие как дата его рождения, скорость звездообразования и история обогащения металлами". Объединение этих открытий с помощью данных Gaia революционизирует нашу картину того, когда и как сформировалась наша галактика".

В последние годы астрономы открыли больше подробностей о Млечном Пути. Но составить карту его структуры очень сложно, поскольку мы находимся в самом центре. Миссия ЕКА "Гайя" - это наш лучший каталог звезд Млечного Пути. И каждый выпуск данных становится все лучше и лучше.

"С каждым новым анализом и выпуском данных Gaia позволяет нам собрать воедино историю нашей галактики в еще более беспрецедентных деталях. С выходом Gaia DR3 в июне астрономы смогут обогатить эту историю еще большим количеством деталей", - говорит Тимо Прусти, научный сотрудник проекта Gaia в ЕКА.

Миссия Gaia очень важна, но наблюдения за другими галактиками, подобными Млечному Пути, также дают астрономам представление о структуре и истории Млечного Пути. Но наблюдать за галактиками спустя всего два миллиарда лет после Большого взрыва очень сложно. Для этого нужны мощные инфракрасные телескопы. К счастью, один долгожданный инфракрасный космический телескоп скоро начнет свои наблюдения.

Космический телескоп Джеймса Вебба (JWST) способен заглянуть в прошлое, в первые годы существования Вселенной. Он сможет увидеть самые ранние галактики во Вселенной, похожие на Млечный путь.

Астрономы хотят узнать больше о слиянии GSE и о том, как оно привело к звездообразованию и сформировало толстый диск нашей галактики всего через два миллиарда лет после Большого взрыва. Наблюдения JWST за древними высокосдвиговыми галактиками, похожими на Млечный Путь, помогут ответить на некоторые вопросы и заполнить более подробную галактическую историю.

А в июне ЕКА выпустит полный третий релиз данных Gaia, который называется DR3. Каталог DR3 будет содержать возраст, металличность и спектры более 7 миллионов звезд. DR3 и JWST станут мощной комбинацией.

О чем расскажут нам все эти данные? По мере эволюции Вселенной галактики должны либо питаться, либо быть съеденными. Гравитация притягивает галактики друг к другу, но Вселенная также расширяется благодаря темной энергии, и темная энергия толкает галактики друг от друга. Поэтому галактики стремятся объединиться в группы. Млечный Путь является частью Местной группы.

Группы остаются внутренне целостными благодаря совместной гравитации галактик, но из-за расширения группы отдаляются друг от друга. В конце концов, самые крупные галактики в группе поглощают более мелкие.

Млечный Путь поглотил GSE и шаровые скопления. Он поглощает Большое Магелланово Облако, которое поглощает своего еще меньшего соседа - Малое Магелланово Облако.

В конце концов, Млечный Путь поглотит их оба, а затем, примерно через 4,5 миллиарда лет, сольется с еще более крупной галактикой Андромеды, еще одним членом Местной группы.

Это странная ситуация, потому что будущее Млечного Пути может быть легче определить, чем его прошлое. Такова загадка расширяющейся Вселенной: доказательства, которые мы ищем, все время удаляются от нас, теряясь во времени и на расстоянии.

Но JWST и Gaia DR3 способны перевернуть представление о расширяющейся Вселенной. Вместе они могут пролить больше света на историю Млечного Пути и на детали слияния галактик в целом. Надеюсь, в итоге мы получим гораздо более подробную историческую хронологию.