В звёздах Млечного пути: история насилия

Звезды нашей галактики хранят летопись ее прошлого. Читая эти истории, астрономы узнают больше о том, как образовался Млечный Путь, и о галактике, в которой мы живем сегодня. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Поздним вечером 5 октября 1923 года Эдвин Хаббл сидел у окуляра телескопа Хукера в обсерватории Маунт-Уилсон, расположенной на вершине гор, откуда открывался вид на Лос-Анджелесский бассейн. Он наблюдал за объектом в северном полушарии неба. Невооруженным глазом он был виден как слабое пятно. Но через телескоп он превратился в яркий эллипс, названный туманностью Андромеды. Чтобы разрешить спор о размерах Млечного Пути — который тогда считался всей Вселенной — Хабблу нужно было определить расстояние Андромеды до нас.

В поле зрения телескопа Андромеда казалась гигантом. Хаббл терпеливо делал несколько снимков, покрывающих множество стеклянных фотопластинок, и ранним утром 6 октября он сделал 45-минутный снимок на небольшой стеклянной пластинке и нацарапал букву «N» там, где увидел три новые звезды, или новые. Но когда он сравнил свое изображение с фотографиями, сделанными другими астрономами, он понял, что одна из его новых новых звезд на самом деле была цефеидой — типом звезды, который можно использовать для измерения астрономических расстояний.

Он вычеркнул одну букву «Н» и написал «VAR!».

Хаббл использовал эту пульсирующую звезду, чтобы рассчитать, что Андромеда находится на расстоянии 1 миллиона световых лет от Земли, что намного превышает диаметр Млечного пути (он немного ошибся; Андромеда находится примерно в 2,5 миллионах световых лет от нас). И он понял, что Андромеда — это не просто туманность, а целая «островная вселенная» — галактика, отличная от нашей.

С разделением космоса на родную галактику и более обширную Вселенную, изучение нашего конечного дома — и того, как он существует в этой вселенной — может начаться всерьез. Сейчас, столетие спустя, астрономы все еще делают неожиданные открытия о единственном космическом острове, который нам когда-либо доведется населить. Возможно, они смогут объяснить некоторые характеристики Млечного Пути, переосмыслив, как он формировался и рос в ранней Вселенной, изучив его неровную форму и его способность к образованию планет. Последние результаты, накопленные за последние четыре года, теперь рисуют картину нашего дома как уникального места в уникальное время.

Похоже, нам повезло жить рядом с особенно спокойной звездой на тихих окраинах средневозрастной, необычно наклоненной, слабо закрученной спиральной галактики, которая на протяжении большей части своего существования оставалась практически нетронутой.

Наша островная Вселенная

С поверхности Земли — если вы находитесь в очень темном месте — вы можете видеть только яркую полосу галактического диска Млечного пути, если смотреть на нее сбоку. Но галактика, в которой мы живем, гораздо сложнее.

В центре галактики бурлит сверхмассивная черная дыра, окруженная «балджем» — скоплением звезд, содержащим одних из старейших обитателей галактики. Далее следует «тонкий диск» — структура, которую мы можем видеть, — где большинство звезд Млечного пути, включая Солнце, разделены на гигантские спиральные рукава. Тонкий диск заключен в более широкий «толстый диск», содержащий более старые и разбросанные звезды. Наконец, эти структуры окружены преимущественно сферическим гало; оно состоит в основном из темной материи, но также содержит звезды и рассеянный горячий газ.

Для составления карт этих структур астрономы обращаются к отдельным звездам. Состав каждой звезды фиксирует место ее рождения, возраст и исходные компоненты, поэтому изучение звездного света позволяет осуществлять своего рода галактическую картографию, а также генеалогию. Располагая звезды во времени и пространстве, астрономы могут проследить историю и сделать выводы о том, как Млечный Путь формировался по частям на протяжении миллиардов лет.

Первые масштабные попытки изучить формирование первоначальной Галактики Млечный Путь начались в 1960-х годах, когда Олин Эгген, Дональд Линден-Белл и Алан Сэндидж, бывший аспирант Эдвина Хаббла, предположили, что галактика коллапсировала из вращающегося газового облака. Долгое время после этого астрономы считали, что первой структурой, возникшей в нашей галактике, было гало, за которым последовал яркий плотный диск из звезд. По мере появления более мощных телескопов астрономы создавали все более точные карты и начали уточнять свои представления о том, как сформировалась галактика.

Всё изменилось в 2016 году, когда на Землю поступили первые данные со спутника Gaia Европейского космического агентства. Gaia точно измеряет траектории миллионов звёзд по всей галактике, позволяя астрономам узнать, где эти звёзды находятся, как они движутся в космосе и с какой скоростью. Благодаря Gaia астрономы смогли составить более чёткую картину Млечного Пути — картину, которая преподнесла множество сюрпризов.

Балдж имеет не сферическую, а форму арахиса и является частью более крупной перемычки, проходящей через середину нашей галактики. Сама галактика деформирована, как поля потрёпанной ковбойской шляпы. Толстый диск также расширен, становясь толще к краям, и, возможно, он сформировался раньше гало. Астрономы даже не уверены, сколько спиральных рукавов на самом деле имеет галактика.

Карта нашей островной вселенной уже не так аккуратна, как казалось раньше. И не так спокойна.

«Если посмотреть на традиционное изображение Млечного Пути, то перед нами предстанет красивое сферическое гало и удобный, правильно выглядящий диск, и всё будет как бы упорядочено и неподвижно. Но сейчас мы знаем, что эта галактика находится в состоянии неравновесия», — сказал Чарли Конрой, астроном из Гарвардско-Смитсоновского центра астрофизики. «Представление о её простоте и упорядоченности было в значительной степени отвергнуто за последние пару лет».

Новая карта Млечного Пути

Спустя три года после того, как Эдвин Хаббл понял, что Андромеда — это отдельная галактика, он и другие астрономы были заняты получением изображений и классификацией сотен островных вселенных. Эти галактики, казалось, существовали в нескольких преобладающих формах и размерах, поэтому Хаббл разработал базовую схему классификации, известную как диаграмма камертона: она делит галактики на две категории: эллиптические и спиральные.

Астрономы до сих пор используют эту схему для классификации галактик, включая нашу. На данный момент Млечный Путь — это спиральная галактика с рукавами, которые являются основными колыбелями для звёзд (и, следовательно, планет). Полвека астрономы считали, что существует четыре основных рукава — рукава Стрельца, Ориона, Персея и Лебедя (мы живём в меньшем ответвлении, которое незамысловато называется Местным рукавом). Но новые измерения сверхгигантских звёзд и других объектов рисуют другую картину, и астрономы больше не сходятся во мнении о количестве рукавов, их размерах и даже о том, является ли наша галактика исключением среди островов.

«Примечательно, что почти ни одна из внешних галактик не имеет четырех спиральных структур, простирающихся от ее центра к внешним областям», — написал в электронном письме Сюй Е, астроном из китайской обсерватории Пурпурной горы.

Чтобы проследить спиральные рукава Млечного Пути, Йе и его коллеги использовали телескоп Gaia и наземные радиотелескопы для поиска молодых звёзд. Они обнаружили, что, как и другие спиральные галактики, Млечный Путь имеет только два основных рукава — Персей и Норма. Несколько длинных, неправильных рукавов также обвивают его ядро, включая Центавр, Стрелец, Килёв, Внешний и Местный рукава. По-видимому, по крайней мере по форме, Млечный Путь может быть больше похож на далёкие космические острова, чем считали астрономы.

«Изучение спиралевидной формы Млечного пути может показать, является ли он уникальным среди миллиардов галактик в наблюдаемой Вселенной», — написал Йе.

Космические Берега

Исследование Хабблом Андромеды и её переменной звезды стало результатом его ожесточенного соперничества с другим известным астрономом из Маунт-Уилсона, Харлоу Шапли. Астроном из Гарварда Генриетта Свон Ливитт первой применила метод цефеид для измерения расстояний, и, используя её методику, Шапли рассчитал, что диаметр Млечного Пути составляет 300 000 световых лет — поразительное утверждение для 1919 года, когда большинство астрономов считали, что Солнце находится в центре галактики, а вся галактика простирается на 3000 световых лет. Таким образом, Шапли настаивал на том, что другие «спиральные туманности» должны быть газовыми облаками, а не отдельными галактиками, поскольку их размеры означали бы, что они находятся на невообразимо большом расстоянии.

В свою очередь, Хаббл описал свои измерения переменных звезд и убедил всех, что Андромеда действительно является отдельной галактикой. «Вот письмо, которое разрушило мою Вселенную», — как сообщается, сказал Шапли, увидев данные Хаббла.

Однако, если говорить об астрономических расстояниях, Шапли, возможно, был не так уж далек от истины. За прошедшее столетие астрономы подсчитали, что балдж Млечного пути имеет диаметр около 12 000 световых лет, что диск простирается на 120 000 световых лет, а гало из темной материи и древних звездных скоплений тянется на сотни тысяч световых лет во всех направлениях.

Недавние наблюдения показали, что некоторые звезды гало рассеяны на расстоянии до 1 миллиона световых лет — на полпути к Андромеде, — что позволяет предположить, что гало, а следовательно, и вся галактика, не являются изолированной вселенной.

Астрономы во главе с Джесси Ханом, аспирантом Гарвардско-Смитсоновского центра астрофизики, недавно установили, что звёздное гало не имеет сферической формы, как долгое время считалось, а напоминает футбольный мяч. В работе, опубликованной 14 сентября, Хан и его команда также показали, что гало тёмной материи может быть наклонено примерно на 25 градусов, из-за чего вся галактика выглядит искажённой.

И хотя это может показаться достаточно странным, сам наклон оси вращения может быть свидетельством бурного прошлого Млечного Пути.

Возмущение в Галактике

Задолго до того, как телескоп Хаббл оказался в окуляре, задолго до рождения Солнца, задолго до существования Млечного Пути, Большой взрыв разорвал всю материю на части и без разбора рассеял её по новорожденному космосу. Первые галактики в конечном итоге образовались из обломков случайного мусора, положив начало 13-миллиардолетней последовательности, которая привела к нашему появлению. Астрономы спорят о тонкостях того, как разворачивались эти события, но они знают, что галактика, в которой мы сейчас обитаем, выросла в результате сложного процесса, включавшего слияния и поглощения.

Во всей Вселенной галактики сталкиваются и объединяются в невообразимо грандиозные катастрофы. Телескоп, названный в честь Эдвина Хаббла, постоянно фиксирует эти космические скопления. И хотя сегодня Млечный Путь относительно спокоен, он не является исключением: изучая археологические данные, хранящиеся в звездах, потоках газа, так называемых шаровых скоплениях, состоящих из тысяч и миллионов звезд, и даже тенях поглощенных карликовых галактик, ученые узнают больше о том, как эволюционировал Млечный Путь.

Первые признаки насилия появились в 1992 году, когда астрономы, наблюдавшие за галактикой через знаменитый 200-дюймовый телескоп в Паломарской обсерватории (который первым использовал телескоп Хаббл), обнаружили свидетельства того, что Млечный Путь разрывает некоторые шаровые скопления в своем гало. Проект Sloan Digital Sky Survey подтвердил это наблюдение, а радиотелескопы позже обнаружили, что галактика также поглощает потоки близлежащего газа.

К середине 2018 года астрономы пришли к выводу, что Млечный Путь за свою жизнь слился с несколькими небольшими галактиками, но большинство из этих слияний были незначительными. Крупнейшее из недавних слияний, произошедшее 10 миллиардов лет назад, предположительно было связано с карликовой эллиптической галактикой Стрельца, которая передала потоки газа и группы звезд в звездное гало Млечного Пути. Однако астрономы не до конца понимали эти объекты до тех пор, пока спутник Gaia не опубликовал свой второй набор данных в 2018 году.

В ходе детального изучения астрономами движений и положений примерно миллиарда звезд появились признаки крупного возмущения в галактике — они обнаружили обломки галактики в гало. Там некоторые звезды вращаются под экстремальными углами и имеют иной состав, чем другие, что позволяет предположить, что они возникли в другом месте.

Астрономы восприняли эти необычные звезды как свидетельство титанического столкновения Млечного Пути с другой галактикой. Слияние, которое, вероятно, произошло от 8 до 11 миллиардов лет назад, катастрофически разрушило бы молодой Млечный Путь, разорвало бы другую галактику на части и вызвало бы бурю образования новых звезд.

Остатки столкнувшейся галактики теперь называются Гайя-Колбаса-Энцелад — это результат независимого обнаружения остатков слияния двумя группами исследователей. Одна группа назвала их в честь греческой богини Геи, первородной матери Земли и всей жизни, и её сына Энцелада. Другая группа заметила, что остатки похожи на колбасу. (Некоторые астрономы оспаривают утверждение о том, что в слиянии участвовала только входящая галактика, предполагая, что в результате множества более мелких столкновений, происходивших в течение более длительного периода, могли образоваться структуры, которые мы видим сейчас.)

Слияние изменило всё: траекторию гало, внутреннего балджа и сплющенного диска Млечного пути.

Сейчас астрономы используют различные инструменты, чтобы понять хронологию столкновения галактик Gaia, Sausage и Enceladus и то, как в результате этого сформировалась молодая галактика Млечный Путь.

В марте 2022 года Маошэн Сян и Ханс-Вальтер Рикс из Института астрономии имени Макса Планка начали с определения Млечного Пути 1.0, протогалактики, существовавшей до каких-либо слияний. Они сделали это, используя древние субгигантские звезды, меньшие по размеру, чем Солнце, которые израсходовали свое водородное топливо и теперь раздуваются. Яркость субгигантской звезды соответствует ее возрасту, а ее свет служит своего рода «отпечатком пальца» материала, из которого она родилась. Когда Сян и Рикс использовали эти данные для определения истории миграции четверти миллиона субгигантских звезд, они обнаружили, что толстый диск сформировался раньше, чем предполагалось в теориях формирования галактик — 13 миллиардов лет назад, почти сразу после Большого взрыва.

Популярные космологические теории предполагают, что для формирования таких крупных, четко определенных структур после Большого взрыва должно было потребоваться больше времени. И тем не менее, они продолжают появляться в наблюдениях далеких галактик с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, говорит Розмари Уайз, астрофизик из Университета Джонса Хопкинса.

«Можно связать наше представление о формировании нашей галактики с тем, что наблюдает телескоп JWST. Можем ли мы составить целостную картину того, как сформировалась галактика? Является ли наша галактика типичной?» — сказала она.

Толстый диск, возможно, существовал и до основного слияния, но тонкий диск совпал с появлением галактики Гея-Сосиска-Энцелад, как обнаружили Сян и Рикс. Этот двухэтапный процесс формирования, в результате которого образуются отдельные звездные диски, может быть распространенным явлением и иметь решающее значение для запуска звездообразования. С тех пор, как начался этот всплеск, темпы рождения звезд снижаются, но Млечный Путь по-прежнему производит от 10 до 20 новых звезд в год.

Юси (Люси) Лу, недавно перешедшая из Колумбийского университета в Американский музей естественной истории, хотела понять историю галактического диска и то, как он менялся с течением времени. Для этого она изучала, как химические изменения на протяжении жизни звезд могут помочь определить места их рождения. Она сосредоточилась на похожих раздутых субгигантах и в новой, неопубликованной работе обнаружила, что богатые металлами субгиганты — те, в которых много элементов тяжелее гелия — начали активно расти примерно во время слияния Гайи, Сосиски и Энцелада, от 11 до 8 миллиардов лет назад.

Доказательства существования галактики типа «Гея-Колбаса-Энцелад» продолжают накапливаться. Но астрономы до сих пор не понимают, почему с тех пор всё остаётся спокойным. Химическая и структурная история Млечного Пути кажутся нетипичными, сказал Лу.

Например, история Андромеды гораздо более бурная, чем у Млечного Пути. По словам Уайз, было бы странно, если бы нашу галактику оставили в покое так долго, учитывая историю других галактик и преобладающую космологическую модель, согласно которой галактики растут, сталкиваясь друг с другом. «История слияний и формирования необычна. Я бы сказала, что вопрос о том, действительно ли мы необычны во Вселенной… остается открытым», — заявила она.

Рождение нового острова

Пока астрономы восстанавливают прошлое галактики, другие изучают, насколько сильно ее окрестности отличаются друг от друга, подобно городам и пригородам — возможность, которая поднимает вопрос о том, как планеты (и, возможно, жизнь) распределены по всей галактике.

Здесь, вокруг одной конкретной звезды в Местном рукаве, вокруг Солнца образовалось восемь планет — четыре каменистых и четыре газовых. Но другие рукава могут быть другими. В этих средах могут формироваться различные популяции звезд и планет, подобно тому как на континентах с различными биосферами развиваются специализированные флора и фауна.

«Возможно, жизнь может зародиться только в очень спокойной галактике. Возможно, жизнь может зародиться только вокруг очень спокойной звезды», — сказала Джесси Кристиансен, астроном из Калифорнийского технологического института, изучающая галактические условия и их влияние на формирование планет. «С этой статистической выборкой из одного объекта это очень сложно; всё [в нашей галактике] может быть важным, а может и ничего не быть важным».

Спустя столетие после того, как Эдвин Хаббл нацарапал «VAR!» на стеклянной пластине, множество галактик, видимых в поле зрения телескопа JWST, меняет наши представления о космосе и нашем месте в нем. Подобно тому, как мы можем использовать Млечный Путь как астрофизическую обсерваторию для понимания Вселенной в целом, мы также можем использовать Вселенную и ее миллиарды галактик, чтобы понять наш дом и то, как мы появились.

Астрономы продолжают перенимать опыт телескопа Хаббл и внимательно изучают Андромеду, тусклый эллипс в северном полушарии неба. Как и телескоп Gaia, расположенный ближе к нам, спектроскопический инструмент для исследования темной энергии в Национальной обсерватории Китт-Пик будет измерять параметры отдельных звезд в Андромеде и изучать их движение, возраст и химический состав. Телескоп Уайза также планирует изучать отдельные звезды в соседней галактике, используя телескоп Subaru на горе Мауна-Кеа.

Это позволит по-новому взглянуть на прошлое Андромеды и провести новое сравнение с нашей собственной галактикой. Это также даст слабое представление о далеком будущем. В конечном итоге наша галактика уничтожит две небольшие близлежащие галактики, Большое и Малое Магеллановы Облака, которые несутся в нашем направлении через космос. Наша галактика уже начинает их поглощать.

«Если бы мы наблюдали за всем этим через миллиард лет, все выглядело бы гораздо запутаннее», — сказал Конрой. «Просто сейчас относительно спокойно».

Затем к нам присоединится и Андромеда. Галактика, простирающаяся по стеклянным пластинам Эдвина Хаббла, перестанет быть островной вселенной. Андромеда и Млечный Путь будут сближаться по спирали, их звездные гало будут закручиваться вместе. В течение невообразимых временных масштабов диски также объединятся, нагревая холодный газ, вызывая его конденсацию и воспламенение новых звезд. На краях любой структуры, которая будет построена следующей, появятся новые солнца, а вместе с ними и новые планеты. Но пока здесь, на Местном рукаве единственной галактики, которую мы когда-либо узнаем, все тихо.

Источник: www.quantamagazine.org