Когда койсанские охотники-собиратели из Африки к югу от Сахары смотрели на извилистый след звезд и пыли, рассекающий ночное небо, они видели угли костра. Полинезийские моряки увидели акулу, пожирающую облака. А древние греки поток молока, гала (γάλα), который в конечном итоге породил современный термин «Галактика».
В 20-м веке астрономы обнаружили, что наша серебряная река — это всего лишь часть огромного острова звезд, и написали собственную историю галактического происхождения. Они пришли к выводу, что наша Галактика — Млечный Путь образовалась почти 14 миллиардов лет назад, когда огромные облака газа и пыли объединились под действием силы тяжести. Со временем возникли две структуры: сначала огромное сферическое «гало», а затем плотный яркий диск. Спустя миллиарды лет внутри этого диска возникла наша солнечная система. Теперь мы можем взглянуть ночью на небо и увидеть «пролитое молоко» — вид сбоку на тот самый огромный белый диск.
А все лишь за последние два года исследователи переписали почти каждую важную главу истории галактики. Что случилось? У них появились более точные данные.
25 апреля 2018 года европейский космическая обсервтория Gaia опубликовала ошеломляющее количество информации о звездах. Важно отметить, что данные Gaia описывают детальное движение примерно 1 миллиарда звезд (об этом «Эксперт» писал в декабре). Предыдущие исследования выявили перемещение лишь около нескольких тысяч звезд. Новые данные оживили интерес к нашей Галактике. «Gaia начала новую революцию», — объяснил научно-просветительскому журналу Quanta Magazine Федерико Сестито, астроном Страсбургской астрономической обсерватории во Франции.
Астрономы поспешили загрузить динамическую звездную карту, построенную обсерваторией Gaia, после чего последовал шквал открытий: некоторые части «молочного диска» оказались более древними, чем предполагали ученые; были обнаружены свидетельства эпических столкновений, которые сформировали бурную молодость нашей Галактики (Млечного Пути), а также признаки того, что Галактика продолжает неожиданным образом изменяться. Взятые вместе, эти результаты полностью изменили представления о Галактике. «Наша картина Млечного Пути изменилась очень быстро», — сказал по этому поводу Майкл Петерсен, астроном из Эдинбургского университета.
Первые звезды
Чтобы заглянуть в самые ранние дни Галактики, астрономы искали звезды, существовавшие еще с самого начала формирования Млечного Пути. Они были созданы только из водорода и гелия — чистого «сырья» космоса. К счастью, некрупные звезды могут существовать очень долго, поэтому многие из них до сих пор существуют и светят.
После десятилетий исследований ученые составили каталог из 42 таких древних звезд, известных как ультра-бедные металлами звезды (для астрономов любой атом тяжелее гелия считается металлическим). Согласно стандартной истории Млечного Пути, эти звезды должны находиться по всему гало Галактики — самой первой сформировавшейся её части. И наоборот, звезды в диске, которому потребовалось, возможно, еще миллиард лет, чтобы сформироваться, должны быть загрязнены тяжелыми элементами, такими как углерод и кислород.
В конце 2017 года Сестито решил изучить, как движется этот обедненный металлами рой, написав код для анализа предстоящих результатов Gaia. Он надеялся, что это может дать некоторые подсказки о том, как возникло «гало».
За время, прошедшее после публикации данных каталога Gaia, он извлек 42 древних звезды из полного набора данных, а затем проследил за их движением. Он обнаружил, что большинство из них проходило через внешний ореол. Но некоторые звезды (примерно каждая четвертая) этого не сделали. Они, наоборот, оставались в диске — самом молодом регионе Млечного Пути. Сестито был удивлен.
Последующие исследования подтвердили, что эти звезды действительно являются постоянным населением диска, а не просто туристами. На основе двух недавних обзоров данных Сестито и его коллеги создали библиотеку из примерно 5000 звезд с низким содержанием металла. Несколько сотен из них, похоже, являются постоянным населением диска Галактики. Другая группа исследователей проанализировала около 500 звезд и обнаружила, что примерно каждая десятая постоянно находится на круговых орбитах, похожих на орбиту Солнце. Третья группа исследователей нашла звезды с разным содержанием металла (и, следовательно, разного возраста), движущиеся по орбитам плоского диска. «Это что-то совершенно новое», — считает Паола Ди Маттео, астроном Парижской обсерватории.
Откуда возникли эти анахронизмы? Сестито предположил, что, возможно, очагам изначального чистого газа из водорода удалось избежать наличия металлов, выбрасываемых сверхновыми в течение жизни Галактики, а затем столкнуться, образовав звезды, которые выглядели бы более старыми. Другое предположение состояло в том, что диск, возможно, начал обретать форму вместе с ореолом, почти на 1 миллиард лет раньше изначально предполагаемого срока.
Чтобы выяснить, какая из версий наиболее правдоподобна, он связался с Тобиасом Баком, исследователем из Института астрофизики им. Лейбница в Потсдаме в Германии, специализирующимся на моделировании населения галактик. Как и ожидалось, прошлые усилия Тобиаса разгадать загадку появления нашей Галактики обычно приводили к выводу о том, что вначале появился ореол, а затем диск. Но это были попытки моделирования с относительно низким пространственным разрешением. По просьбе Сестито, Бак увеличил точность моделирования примерно в 10 раз.
При таком разрешении каждое моделирование требовало интенсивных вычислительных ресурсов. Несмотря на то, что у него был доступ к суперкомпьютерному центру в Лейбнице, для одного моделирования требовалось три месяца вычислительного времени. Бак повторил расчеты шесть раз. Из этих шести пять было произведено для нашей Галактики. Два из них имели достаточное количество звезд в диске с низкой металличностью.
Как эти древние звезды, с низким содержанием металлов попали в диск? Проще говоря, они были звездными иммигрантами. Некоторые из них родились в облаках до формирования нашей Галактики. Затем облака случайно направили часть своих звезд на орбиты, которые в конечном итоге стали частью галактического диска. Другие звезды пришли из маленьких «карликовых» галактик, которые взаимодействовали с Галактикой и вошли в состав формирующегося диска.
Результаты, опубликованные группой в ноябре, предполагают, что классические модели образования галактик были неполными. Как и ожидалось, газовые облака сжимаются в сферические гало. Но звезды, падающие под прямым углом, могут также и сформировать диск. «Теоретики не ошиблись», — сказал Бак. — «Им действительно не хватало данных наблюдений».
Беспокойная молодость
На этом сложности не заканчиваются. С помощью обсерватории Gaia астрономы нашли прямые доказательства гигантских столкновений в прошлом. Астрономы предполагали, что у Млечного Пути была беспокойная молодость, но Хелмер Коппельман, астроном, ныне работающий в Институте перспективных исследований в Принстоне, использовал данные Gaia, чтобы найти конкретные обломки одного из крупнейших слияний. Во всех направлениях он увидел огромное количество гало-звезд, которые двигались взад и вперед в центре Млечного Пути одним и тем же необычным образом — ключ к тому, что они пришли из одной карликовой галактики. Галактические обломки оказались повсюду. Возможно, половина всех звезд гало (которое простирается на сотни тысяч световых лет во всех направлениях) возникли в результате этого единичного столкновения, которое могло увеличить массу нашей Галактики на 10%. «Для меня это изменило правила игры», — сказал Коппельман. — «Я ожидал много небольших столкновений».
Группа назвала малую галактику, слившуюся с нашей Галактикой, Гайя-Энцелад в честь греческой богини Гайи и ее сына-титана Энцелада. Другая команда из Кембриджского университета независимо предположила наличие такой же малой галактике примерно в то же время, назвав ее «Колбаса Гайя» за ее форму на картах.
Когда Млечный Путь и Гая-Энцелад столкнулись 10 миллиардов лет назад, тонкий диск нашей Галактики, предположительно, получил обширные повреждения. Астрономы спорят, почему наш галактический диск состоит из двух частей: тонкого диска и более толстого балджа, в котором звезды колеблются вверх и вниз, вращаясь вокруг центра Галактики. Исследования, проведенные Ди Маттео, предполагают, что Гайя-Энцелад взорвала большую часть диска, раздувая его во время столкновения. «Первый древний диск сформировался довольно быстро, а потом мы думаем, что Гайя-Энцелад как бы разрушила его», — сказал Коппельман.
Намеки на неизвестные ранее слияния с нашей галактикой были замечены в связках звезд, известных как шаровые скопления. Дидерик Крюйссен, астроном из Гейдельбергского университета в Германии, использовал моделирование населения галактик, чтобы обучить нейронную сеть исследовать шаровые скопления. Он поставил задачу проанализировать их возраст, состав и орбиты. На основе этих данных нейронная сеть смогла бы реконструировать столкновения, из которых сформировались галактики. Модель для Млечном Пути действительно воспроизвела уже известные события: слияние с Гайя-Энцелад, а также более раннее и более значительное слияние с галактикой, которую группа назвала Кракеном.
В августе группа Крюйссена опубликовала возможную хронологию слияния нашей Галактики (Млечного Пути) и карликовых галактик, которые его сформировали. Они также предположили существование 10 дополнительных столкновений в прошлом, которые, как они надеются, будут подтверждены независимыми наблюдениями. «Мы еще не нашли остальные 10, — сказал Круйссен, — но обязательно найдем».
Все эти предположения привели некоторых астрономов к предположению, что гало Галактики может состоять почти исключительно из звезд-иммигрантов. Модели 60-х и 70-х годов показывали, что большинство звезд гало Млечного Пути должны были образоваться без столкновений. Но поскольку все больше и больше звезд стали идентифицироваться учеными как прибывшие из других галактик, эти модели были подвергнуты сомнениям.
Движение не заканчивается?
В последнее время наша Галактика имела относительно спокойную историю, но новые столкновения с близлежащим галактиками продолжают беспокоить. Наблюдатели ночного неба в Южном полушарии невооруженным глазом могут заметить пару карликовых галактик, называемых Большим и Малым Магеллановыми облаками. Астрономы долгое время полагали, что эта пара — наши устойчивые спутники на орбите Галактики. Однако, серия наблюдений космического телескопа Хаббл между 2006 и 2013 годами показала, что они более похожи на падающие метеориты. Нитья Калливаялил, астроном из Университета Вирджинии, определила, что горячие облака поднимаются со скоростью около 330 километров в секунду — почти в два раза быстрее, чем предполагалось. Когда несколько лет спустя группа ученых под руководством Хорхе Пеньяррубиа, астронома из Королевской обсерватории Эдинбурга, подсчитали цифры, они пришли к выводу, что быстрые облака должны быть чрезвычайно большими — возможно, в 10 раз больше, чем считалось ранее. «Это был сюрприз за сюрпризом», — сказал Пеньяррубия.
Различные группы предполагали, что неожиданно мощные карлики могут тащить за собой части Млечного Пути, и в этом году Пеньяррубия сошлись в результатах с Петерсеном. Проблема в изучении Галактики заключается в том, что наша Галактика — Млечный Путь — это бушующая метель звезд, в которой мы сами снежинки. Таким образом, Пеньяррубия и Петерсен потратили значительную часть времени на то, чтобы выяснить, как учесть движение Земли и Солнца и как учесть движение звезд гало, чтобы внешняя граница гало могла служить неподвижным фоном.
Когда они откалибровали данные таким образом, они обнаружили, что Земля, Солнце и остальная часть диска, на котором они находятся, двигаются в одинаковом направлении. Недавно они подробно рассказали о своих открытиях в Nature Astronomy.
Взаимодействие диска Галактики с гало подрывает фундаментальное предположение: Млечный Путь — это объект, находящийся в равновесии. Анализ Пеньяррубиа и Петерсена доказывает, что предположение о стабильной Галактике, возможно, не является верным. Даже через 14 миллиардов лет после слияния протогалктик продолжается формирование нашей. Это осознание — лишь последнее изменение в нашем понимании Галктики, как эволюционирующей системы. «Все, что мы думали, что мы знаем о будущем и истории Млечного Пути, — сказал Петерсен, — необходимо полностью переосмыслить».
