Відкриття найбіднішого металами кулястого зоряного скупчення, серед усіх відомих нині, змусило науковців переосмислити процеси утворення як галактик, так і кулястих зоряних скупчень.
Міжнародна група астрономів опублікувала 15 жовтня 2020 р. статтю в рецензованому журналі Science, в якій оголосила про відкриття найбільш бідного металами кулястого зоряного скупчення, серед усіх відомих нині таких об’єктів. Кулясті зоряні скупчення — це гігантські симетричні скупчення зір, що найчастіше містяться в гало галактик. Коли астрономи говорять про «метали», вони говорять не про твердий і блискучий матеріал. Вони говорять про вуглець, азот, кисень, неон, залізо та магній — будь-які елементи, що виникли всередині зір, — за винятком водню та гелію, які виникли невдовзі після Великого Вибуху. Нещодавно виявлене бідне металами кулясте зоряне скупчення перебуває на видноті в М31 чи в галактиці Андромеди, великій спіральній галактиці поруч із нашим Молочним Шляхом. Випадкове відкриття цього «анемічного» кулястого зоряного скупчення, як його називають астрономи, перевернуло з ніг не голову загальноприйняту теорію про утворення галактик. А також поставило питання про те, як і де формуються кулясті скупчення зір.
Згідно з новим дослідженням, масивне кулясте скупчення RBC EXT8 населяють зорі, що містять у 800 разів менше металів — менше важких елементів — ніж Сонце. Скупчення містить втричі менше металів, ніж попередній такий об’єкт — «рекордсмен» за цим параметром.
RBC EXT8 раніше не привертало уваги астрономів, бо воно демонструє більшість очікуваних характеристик подібних масивних кулястих зоряних скупчень. Його маса приблизно в мільйон разів більша, ніж у Сонця. Це дає змогу припустити, що в ньому є приблизно мільйон зір, і — як і схожі на нього скупчення в гало галактики Андромеди — передбачати, що воно сформувалося на початку існування галактики. Справді, зорі в кулястих скупченнях зазвичай вважають найдавнішими мешканцями галактики. Незважаючи на традиційні ознаки, стан бідного металами РБК EXT8 є значним відхиленням від інших кулястих скупчень, навіть на тлі тих, що відомі як бідні металами.
Знахідка суперечить теорії утворення галактик, спричиняючи сумніви науковців у тому, що вони називають мінімумом металічності (metallicity floor), або найменшою кількістю металів, яка, згідно з нинішніми уявленнями, може бути в кулястому зоряному скупченні.
Головний автор дослідження Сорен Ларсен (Søren Larsen), астроном з Радбоуд університету в Неймеґені (Нідерланди), сказав: «Наш результат показує, що масивні кулясті скупчення могли утворитися в ранньому Всесвіті з газу лише за допомогою невеликого «вкраплення» елементів, відмінних від водню та гелію. Це дивно, оскільки досі астрономи вважали, що такий первинний газ міститься в будівельних блоках, занадто малих, щоб утворювати такі масивні зоряні скупчення».
Говорячи тут про «будівельні блоки», він має на увазі протогалактики, які іноді називають «первісними галактиками». Це, по суті, просто хмара газу в космосі, що перебуває у процесі формування галактики. Знаходження бідного на метали кулястого скупчення в галактиці Андромеди на думку Ларсена означає, що може постати питання про переглд теорії утворення галактик. Він зауважив: «Прийнято вважати, що великі галактики, такі як Молочний Шлях чи галактика Андромеди, утворилися з менших протогалактик. Існує взаємозв’язок між масами протогалактик та їх металічністю. Тобто великі галактики містять більше металів (елементів, важчих за водень та гелій). Отже, найбідніші на метали зорі та зоряні скупчення (ті, що складаються в основному з водню та гелію), мали б утворитися в найменших протогалактиках. Щоб сформувати таке бідне на метали скупчення, як RBC EXT8, вам знадобиться дуже мала протогалактика, занадто мала, щоб утворити таке масивне кулясте скупчення згідно з сучасними теоріями формування галактик. Тож, можливо, у цих теоріях потрібно щось переглядати чи коригувати».
Те, що науковці побачили під час спостережень в обсерваторії імені Кек на Гаваях, також змусило їх переглянути своє розуміння кулястих зоряних скупчень. Ларсен сказав: «Одними з найбідніших на метали кулястих зоряних скупчень у Молочному Шляху є Мессьє 15 та ESO 280-SC06, із приблизно в 200—300 разів меншою кількістю металів — заліза — ніж Сонце. RBC EXT8 тепер зменшує цю межу приблизно до третини того, що раніше вважали низьким рекордом. Це важливо, бо ми вважали, що маємо кілька пояснень, чому кулясті скупчення не можуть бути біднішими на метали, ніж попередні рекордсмени. Ці пояснення, можливо, доведеться переглянути; тепер ми маємо спробувати зрозуміти, як може утворитися таке бідне на метали кулясте скупчення зір».
Спектри — тобто зоряне світло, розділене на складові кольори — використовували вчені при дослідженні RBC EXT8 для розуміння вмісту магнію та заліза цього кулястого зоряного скупчення порівняно з іншим таким об’єктом Мессьє 15. Науковці стверджують, що на цьому графіку найкраще підібрані моделі показані товстими чорними лініями (для RBC EXT8) та пунктирними лініями для M15. Фото з сайту https://earthsky.org.
Науковці отримали третій сюрприз, коли спектроскопічні спостереження скупчення за допомогою Ешеле-спектрометра з високою роздільною здатністю (High-Resolution Echelle Spectrometer, HIRES) на телескопі Кек-1 не змогли виявити очікуваний баланс заліза та магнію. Більшість з того, що астрономи називають альфа-елементами — кремній, кальцій, титан — в скупченні становило приблизно у 400 разів менше, ніж в інших кулястих зоряних скупченнях. За словами Ларсена, це було очікуваним, зважаючи на спостережні дані для інших таких об’єктів, але магній — також альфа-елемент — вказав на зовсім іншу історію.
«Магнію в цьому скупченні ще менше, ніж заліза. Зорі в RBC EXT8 мають приблизно в 1600 разів менше магнію, ніж Сонце. Це досить дивно, бо магній належить до класу елементів — альфа-елементів, які в кулястих зоряних скупченнях, зазвичай, не такі "дефіцитні", як залізо. З магнієм відбувається щось дивне, чого ми не зовсім розуміємо».
Астрономи говорять: дивне везіння, яке привело до того, що виявили бідне на метали кулясте зоряне скупчення RBC EXT8, трапилося завдяки несподіваній годині додаткового часу спостереження на телескопі імені Кека в жовтні 2019 року. Міжнародна група науковців — астрономи з Каліфорнійського університету в Санта-Крус та Ларсен по Skype з Нідерландів — мала спостерігати кулясті зоряні скупчення в околицях кількох сусідніх галактик. Як сказав Ларсен, те, що почалося з короткого очікування появи небесних об’єктів, перетворило шанс на можливість.
«На початку ночі нам довелося почекати близько години, перш ніж наші основні цілі піднімуться над горизонтом. Ми шукали іншу ціль, щоб заповнити цю годину, і вибір випав на це скупчення, RBC EXT8 в галактиці Андромеди. Ми заздалегідь не підозрювали, що в цьому скупченні буде щось особливе. Ми просто вибрали його, бо скупчення можна було спостерігати в часовий проміжок, який у нас був, і тому, що це одне з найяскравіших кулястих зоряних скупчень в галактиці Андромеди».
Аарон Романовський (Aaron Romanowsky) з обсерваторій Каліфорнійського університету в Санта-Крус та Університету Сан-Хосе, співавтор дослідження, зауважив: такі знахідки, як RBC EXT8, нагадують науковцям про те, що ніколи не варто пропускати очевидне, бо воно може містити сюрприз, що змінює науку. Він сказав: «Я вражений тим, що це дивовижне зоряне скупчення просто було у нас перед носом. Це одне з найяскравіших скупчень в галактиці Андромеди, відоме десятиліттями, проте ніхто не перевіряв його детально. Це показує, як багато ще у Всесвіті для нас сюрпризів. Це також нагадує нам про те, що слід перевірити наші припущення; у цьому випадку передбачалося, що досліджено достатньо скупчень, щоб знати, якими анемічними вони можуть бути».
Європейська південна обсерваторія назвала це зображення «штрих-кодом Сонця». Це спектр видимого випромінювання Сонця, нарізаний невеликими частинами, розміщеними одна під одною. Фото з сайту https://earthsky.org.
Спектри, зроблені за допомогою спектрометра HIRES на телескопі Кек-1, розділили склад RBC EXT8 на веселку, а лінії поглинання — темні ділянки в цій веселці — вказали на те, які елементи та яка їх кількість була поглинена в атмосфері зір всередині скупчення. Ларсен сказав: «Кожен атом має свій власний набір ліній, своєрідний «відбиток пальця», і вимірюючи, скільки світла поглинається в цих лініях, ми можемо визначити, скільки заліза, магнію тощо в зорях».
Незважаючи на багато знахідок, дослідження поставило більше запитань, ніж відповідей для науковців, але Ларсен та його група заявили, що готові вирішити цю проблему. Ларсен пояснив: «Це відкриття важливе, бо дає нам спосіб перевірити теорії формування галактик і такі речі, як відношення маса-металічність. Ми також хотіли б знати, чи існують інші скупчення, такі як RBC EXT8, тому нам треба спробувати з’ясувати, як їх знайти».
За інф. з сайту https://earthsky.org підготував Іван Крячко
