Використавши дані місії Європейського космічного агентства «Гайя» (Gaia), астрономи з’ясували: частина Молочного Шляху, відома як «товстий диск», почала формуватися 13 мільярдів років тому, приблизно на 2 мільярди років раніше, ніж очікувалося, і лише через 0,8 мільярда років після Великого Вибуху.
Цей дивовижний результат отримано з аналізу, який виконали Маошен Сян (Maosheng Xiang) і Ганс-Вальтер Рікс (Hans-Walter Rix) з Інституту астрономії Товариства імені Макса Планка в Гейдельберзі (Німеччина). Вони взяли дані про блиск і положення зір з набору даних Gaia Early Data Release 3 (EDR3) і об’єднали їх з результатами вимірювання хімічного складу цих зір, отриманих за допомогою китайського Багатооб’єктного волоконного спектроскопічного телескопа для великих ділянок неба (Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope, LAMOST). Поєднання таких даних дало змогу визначити вік приблизно 250 000 зір.
Основна структура нашої галактики, якщо дивитися на неї з ребра. Нові результати місії ESA (European Space Agency) Gaia дали змогу виконати реконструкцію історії Молочного Шляху, зокрема еволюції так званого товстого диска. Фото з сайту www.esa.int.
Науковці вирішили звернути увагу на зорі субгіганти. В цих зорях джерело енергії міститься вже не в ядрі, а в оболонці навколо нього. На цьому етапі еволюції зоря стає червоним гігантом. Оскільки фаза субгіганта — відносно короткий еволюційний етап в житті зорі, то це дає змогу визначити її вік з великою точністю. Щоправда, такі обчислення виконувати доволі складно.
Скільки років зорям?
Вік зорі є одним з найважчих для визначення параметрів. Його не можна виміряти прямо, але є змога зробити оцінку, порівнявши характеристики зорі з комп’ютерними моделями зоряної еволюції. У цьому допомагають дані про хімічний склад цих об’єктів. Після появи Всесвіту в ньому спершу були головно водень та гелій. Інші хімічні елементи, відомі астрономам як метали, утворюються всередині зір і потрапляють у космічний простір наприкінці життя зорі. Там вони можуть потрапити в наступне покоління зір. Отже, старі зорі мають менше металів і, як кажуть, мають нижчу металічність.
З даних LAMOST можна визначати металічність, а знаючи її та блиск — встановити вік зорі з комп’ютерних моделей. До Gaia астрономи зазвичай визначали вік зір з похибкою 20—40 відсотків. Це приводило до того, що значення віку зорі було неточним у мільярд років або більше.
Новий набір даних «Гайя» EDR3 змінив це. «За допомогою даних Gaia про блиск ми можемо визначити вік зорі субгіганта з точністю до кількох відсотків», — сказав Маошен. Маошен і Ганс-Вальтер, озброївшись точним віком для чверті мільйона зір субгігантів, розкиданих по Галактиці, почали аналіз.
Анатомія Молочного Шляху
Наша галактика складається з різних частин. Загалом, їх можна розділити на гало і диск. Гало — це сферична частина, що оточує диск. Її традиційно вважають найдавнішим компонентом Галактики. Диск складається з двох частин: тонкого диска і товстого диска. Тонкий диск містить більшість зір, які ми бачимо як туманну смугу світла на нічному небі, яку ми називаємо Чумацький Шлях. Товстий диск більш ніж вдвічі перевищує висоту тонкого диска, але менший за радіусом. Він містить лише кілька відсотків зір Молочного Шляху в околицях Сонця.
Уявлення художника про нашу галактику Молочний Шлях, спіральну галактику з перемичкою віком приблизно 13 мільярдів років, яка містить кілька сотень мільярдів зір. Ліворуч показано спіральну структуру диска Галактики, де розташовані більшість зір, що перемежовані дифузною сумішшю газу та космічного пилу. Диск має приблизно 100 000 світлових років у поперечнику, а Сонце лежить приблизно на півдорозі між його центром і периферією.
Праворуч (вигляд Галактики з ребра) показано сплющену форму диска. Спостереження вказують на підструктури: тонкий диск висотою близько 700 світлових років, вбудований в товстий диск, висотою близько 3000 світлових років і населений старшими зорями.
У центральній частині Молочного Шляху лежить Галактична дуга з близько 10 мільярдами зір, головно старих і червоних. Опуклість (балдж), яку також видно на фото ліворуч, має витягнуту форму, що нагадує форму арахісу. Балдж має перемичку (бар) довжиною близько 20 000 світлових років. Завдяки цьому Молочний Шлях астрономи відносять до типу галактик з перемичкою.
За диском і балджем лежить зоряне гало, приблизно сферична структура з радіусом близько 100 000 світлових років, що містить ізольовані зорі, а також багато кулястих скупчень — великих компактних конгломератів деяких з найдавніших зір Галактики. У більшому масштабі Молочний Шлях вбудований у велике гало невидимої темної матерії. Фото з сайту www.esa.int.
Визначивши вік зір-гігантів у різних частинах Галактики, дослідники змогли побудувати хронологію формування Молочного Шляху — і ось тоді на них чекала несподіванка.
Два етапи в історії Молочного Шляху
Вік зір чітко показав: процес формування Молочного Шляху мав два різні етапи. На першому, починаючи лише через 0,8 мільярда років після Великого Вибуху, в товстому диску почали формуватися зорі. Внутрішні частини гало, можливо, також почали з’єднуватися на цьому етапі, але процес швидко дійшов завершення приблизно через два мільярди років потому, коли карликова галактика, відома як Гея-Сарделька-Енцелад (Gaia-Sausage-Enceladus), злилася з Молочним Шлях. Це злиття привело до наповнення гало зорями і, як чітко показало нове дослідження, спричинило зародження товстого диска та утворення більшість його зір. Тонкий диск зір, в якому міститься Сонце, утворився під час наступного, другого етапу формування Галактики.
Аналіз також показує, що після початку процесу утворення зір, викликаного злиттям з Gaia-Sausage-Enceladus, у товстому диску продовжувалось формування зір, аж поки не закінчився газ. Це відбулося приблизно через 6 мільярдів років після Великого Вибуху. За цей час металічність товстого диска зросла у понад 10 разів. Але примітно, дослідники бачать дуже тісне співвідношення зоряний вік — металічність, яке вказує на те, що протягом цього періоду газ, із якого формувалися зорі, був добре перемішаний по всьому диску. Це означає, що ранні ділянки диска Молочного Шляху мали бути сформовані з дуже турбулентного газу, який ефективно поширював метали повсюдно.
Хронологія завдяки «Гайя»
Більш ранній вік формування товстого диска вказує на іншу картину ранньої історії нашої галактики. «З моменту відкриття у 2018 році стародавнього злиття з Гея-Сарделька-Енцелад астрономи підозрювали, що Молочний Шлях вже існував до того, як утворилося гало. Але ми не мали чіткого уявлення про те, який вигляд мав на той час Молочний Шлях. Наші результати надають відмінні подробиці про цей етап розвитку Молочного Шляху, як-от час народження, швидкість утворення зір та історію збагачення металами. Об’єднання воєдино цих відкриттів за допомогою даних Gaia революціонізує наше уявлення про те, коли і як утворилася Галактика», — сказав Маошен Сян.
І можливо, ми ще не заглядаємо достатньо далеко у Всесвіт, щоб побачити, як утворюються такі диски галактик. Вік у 13 мільярдів років відповідає червоному зміщенню 7, де червоне зміщення є мірою того, як далеко лежить небесний об’єкт, а отже, скільки часу знадобилося його світлу, щоб перетнути простір і досягти Землі.
Нові спостереження можуть стати реальністю найближчим часом, бо космічний телескоп Джеймса Вебба розроблено так, щоб він дав змогу побачити найперші галактики, схожі на Молочний Шлях. А 13 червня поточного року місія «Гайя» випустить свій повний третій випуск даних (Gaia DR3). Цей каталог міститиме спектри зір та іншу інформацію, як-от вік і металічність, що спрощує виконання досліджень, подібних тому, яке зробили Маошен Сян і Ганс-Вальтер Рікс.
«З кожним новим аналізом та випуском даних Gaia дозволяє нам розкрити історію нашої галактики ще більш докладніше. Отримавши в червні дані Gaia DR3 астрономи зможуть збагатити історію ще більшими подробицями», — сказав Тімо Прусті (Timo Prusti), науковець проєкту «Гайя» з Європейського космічного агентства.
Саттю Маошена Сяна та Ганса-Вальтера Рікса «A time-resolved picture of our Milky Way’s early formation history» оприлюднив журнал Nature (doi 10.1038/s41586-022-04496-5).
За інф. з сайту www.esa.int підготував Іван Крячко
