Звезды Млечного Пути: история насилия | Журнал Кванта

Поздно вечером 5 октября 1923 года Эдвин Хаббл сидел у окуляра телескопа Хукера в обсерватории Маунт-Вилсон, на вершине горы с видом на бассейн Лос-Анджелеса. Он наблюдал объект в северном небе. Невооруженным глазом это было видно как слабое пятно. Но в телескоп он превратился в блестящий эллипс, названный Туманностью Андромеды. Чтобы разрешить спор о размере Млечного Пути, который тогда считался всей Вселенной, Хабблу нужно было определить расстояние до Андромеды от нас.

В поле зрения телескопа Андромеда представляла собой гиганта. Хаббл терпеливо сделал несколько снимков, покрывающих множество стеклянных фотопластинок, и рано утром 6 октября он сделал 45-минутную экспозицию на маленькой стеклянной пластинке и нацарапал букву N там, где увидел три новые звезды, или новые звезды. Но когда он сравнил свое изображение с фотографиями, сделанными другими астрономами, он понял, что одна из его новых новых на самом деле была переменной звездой цефеидой — типом звезды, которую можно использовать для измерения астрономических расстояний.

Он зачеркнул одну «Н» и написал «ВАР!»

Хаббл использовал эту пульсирующую звезду, чтобы подсчитать, что Андромеда находится на расстоянии 1 миллиона световых лет от Земли, на расстоянии, намного большем, чем диаметр Млечного Пути (он немного отклонился от нее; Андромеда находится на расстоянии около 2.5 миллионов световых лет). И он понял, что Андромеда — это не просто туманность, а целая «островная вселенная» — галактика, отличная от нашей.

С разделением космоса на домашнюю галактику и большую вселенную изучение нашего конечного дома – и того, как он существует внутри этой вселенной – может начаться всерьез. Сейчас, столетие спустя, астрономы все еще делают неожиданные открытия о единственном космическом острове, на котором мы когда-либо будем жить. Возможно, они смогут объяснить некоторые характеристики Млечного Пути, заново представляя, как он формировался и рос в ранней Вселенной, внимательно изучая его неровную форму и изучая его способность образовывать планеты. Последние результаты, полученные за последние четыре года, теперь рисуют картину нашего дома как уникального места в уникальное время.

Кажется, нам повезло жить рядом с особенно тихой звездой на спокойных окраинах немолодой, причудливо наклоненной, слабо спиральной галактики, которая большую часть своего существования оставалась в покое.

Наша островная вселенная

С поверхности Земли — если вы находитесь где-то в очень темном месте — вы можете увидеть только яркую полосу галактического диска Млечного Пути с ребра. Но галактика, в которой мы живем, намного сложнее.

В ее центре бурлит сверхмассивная черная дыра, окруженная «выпуклостью» — скоплением звезд, в котором находятся одни из старейших звездных обитателей галактики. Далее следует «тонкий диск» — структура, которую мы видим — где большинство звезд Млечного Пути, включая Солнце, разделены на гигантские спиралевидные рукава. Тонкий диск окружен более широким «толстым диском», который содержит более старые и более разбросанные звезды. Наконец, эти структуры окружает преимущественно сферический ореол; она в основном состоит из темной материи, но также содержит звезды и рассеянный горячий газ.

Чтобы составить карты этих структур, астрономы обращаются к отдельным звездам. В составе каждой звезды записано место ее рождения, возраст и натальные ингредиенты, поэтому изучение звездного света позволяет создать форму галактической картографии, а также генеалогию. Располагая звезды во времени и месте, астрономы могут проследить историю и сделать вывод о том, как строился Млечный Путь, шаг за шагом, на протяжении миллиардов лет.

Первые крупные усилия по изучению формирования первичного Млечного Пути начались в 1960-х годах, когда Олин Эгген, Дональд Линден-Белл и Алан Сэндидж, бывший аспирант Эдвина Хаббла, утверждали, что галактика рухнула из-за вращающегося газового облака. Долгое время после этого астрономы считали, что первой структурой, возникшей в нашей галактике, было гало, за которым последовал яркий плотный диск звезд. По мере появления в сети более мощных телескопов астрономы строили все более точные карты и начали уточнять свои представления о том, как образовалась галактика.

Все изменилось в 2016 году, когда на Землю вернулись первые данные со спутника Gaia Европейского космического агентства. Gaia точно измеряет пути миллионов звезд по всей галактике, позволяя астрономам узнать, где расположены эти звезды, как они движутся в пространстве и с какой скоростью. С помощью Gaia астрономы смогли нарисовать более четкую картину Млечного Пути, которая преподнесла много сюрпризов.

Выпуклость имеет не сферическую, а арахисовую форму и является частью более крупной перемычки, охватывающей середину нашей галактики. Сама галактика искривлена, как поля потрепанной ковбойской шляпы. Толстый диск также расширяется, утолщаясь к краям, и, возможно, он сформировался до гало. Астрономы даже не уверены, сколько спиральных рукавов на самом деле имеет галактика.

Карта нашей островной вселенной не так аккуратна, как казалось когда-то. И не так спокойно.

«Если вы посмотрите на традиционное изображение Млечного Пути, вы увидите красивый сферический ореол и красивый диск правильной формы, и все в каком-то смысле устойчиво и неподвижно. Но сейчас мы знаем, что эта галактика находится в состоянии неравновесия», — сказал он. Чарли Конрой, астроном Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики. «Представление о том, что все просто и хорошо упорядочено, за последние пару лет было полностью отброшено».

Новая карта Млечного Пути

Через три года после того, как Эдвин Хаббл понял, что Андромеда сама по себе является галактикой, он и другие астрономы были заняты визуализацией 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, в том числе и нашей. На данный момент Млечный Путь представляет собой спираль, рукава которой являются основными рассадниками звезд (и, следовательно, планет). На протяжении полувека астрономы считали, что существует четыре основных рукава — рукава Стрельца, Ориона, Персея и Лебедя (мы живем в меньшем ответвлении, которое без всякого воображения называют Местным рукавом). Но новые измерения звезд-сверхгигантов и других объектов рисуют иную картину, и астрономы больше не приходят к единому мнению относительно количества рукавов или их размеров, и даже о том, является ли наша галактика чудаком среди островов.

«Поразительно, но почти ни в одной внешней галактике нет четырех спиралей, простирающихся от их центров к внешним областям». Сюй ЕОб этом сообщил в электронном письме астроном китайской обсерватории Пурпурная гора.

Чтобы проследить спиральные рукава Млечного Пути, Йе и его коллеги использовали Гайю и наземные радиотелескопы для поиска молодых звезд. Они обнаружили, что, как и другие спиральные галактики, Млечный Путь имеет только два главных рукава: Персея и Нормы. Вокруг его ядра также вьются несколько длинных рукавов неправильной формы, в том числе Центавра, Стрельца, Киля, Внешнего и Местного рукавов. Кажется, что, по крайней мере по форме, Млечный Путь может быть больше похож на далекие космические острова, чем думали астрономы.

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

Космические берега

Исследование Хабблом Андромеды и ее переменной звезды стало результатом его ожесточенного соперничества с другим знаменитым астрономом с горы Вильсон, Харлоу Шепли. Гарвардский астроном Генриетта Суон Ливитт была пионером в использовании переменных звезд-цефеид для измерения расстояний, и, используя ее метод, Шепли рассчитала, что Млечный Путь имеет диаметр 300,000 1919 световых лет — удивительное заявление в 3,000 году, когда большинство астрономов считали, что Солнце в центре галактики, и что вся галактика простирается на XNUMX световых лет. Таким образом, Шепли настаивал на том, что другие «спиральные туманности» должны быть газовыми облаками, а не отдельными галактиками, поскольку их размеры означали бы, что они находятся невообразимо далеко.

Хаббл, в свою очередь, записал свои измерения переменных звезд и убедил всех, что Андромеда действительно является отдельной галактикой. «Вот письмо, которое разрушило мою вселенную», — якобы сказал Шепли, увидев данные Хаббла.

Однако с точки зрения астрономических расстояний Шепли, возможно, был не так уж далек. За прошедшее столетие астрономы подсчитали, что выпуклость Млечного Пути составляет около 12,000 120,000 световых лет в поперечнике, что размер диска составляет XNUMX XNUMX световых лет, а гало темной материи и древних звездных скоплений простирается на сотни тысяч световых лет. каждое направление.

Недавнее наблюдение обнаружили, что некоторые звезды гало разбросаны на расстоянии до 1 миллиона световых лет — на полпути к Андромеде — что позволяет предположить, что гало, а, следовательно, и галактика, не является отдельной островной вселенной.

Астрономы под руководством Джесси Хан, аспирант Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, недавно определил, что звездное гало не имеет сферической формы, как долгое время предполагалось, а имеет форму футбольного мяча. В работе опубликовано 14 сентябряХан и его команда также показали, что гало темной материи может быть наклонено примерно на 25 градусов, в результате чего вся галактика будет выглядеть искаженной.

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

Возмущение в Галактике

За тысячелетия до того, как Хаббл сел в окуляр, задолго до рождения Солнца, задолго до существования Млечного Пути, Большой Взрыв разорвал на части всю материю и без разбора разбросал ее по новорожденному космосу. Первые галактики в конечном итоге сформировались из кусочков случайного мусора, положив начало 13-миллиардной последовательности, которая привела к нам. Астрономы обсуждают тонкости того, как развивались эти события, но они знают, что галактика, в которой мы сейчас живем, выросла в результате сложного процесса, включавшего слияния и поглощения.

По всей Вселенной галактики сталкиваются и объединяются, создавая невообразимо огромные бедствия. Телескоп, названный в честь Эдвина Хаббла, запечатлел эти космические скопления все время. И хотя сегодня здесь относительно спокойно, Млечный Путь не является исключением: просеивая археологические записи, хранящиеся в звездах, потоках газа, так называемых шаровых скоплениях от тысяч до миллионов звезд и даже в тенях пожранных карликовых галактик, ученые узнают больше о том, как развивался Млечный Путь.

Первые намеки на насилие появились, когда астрономы, глядя в легендарный 200-дюймовый телескоп Паломарской обсерватории (который Хаббл первым использовал), обнаружили в 1992 году доказательства того, что Млечный Путь разрывает на части некоторые шаровые скопления в своем гало. Цифровой обзор неба Слоана подтвердил это наблюдение, а позже радиотелескопы обнаружили, что галактика также вдыхает воздух. потоки близлежащего газа.

К середине 2018 года астрономы пришли к выводу, что Млечный Путь за время своего существования слился с несколькими небольшими галактиками, но большинство из них были незначительными событиями. Считалось, что в крупнейшем недавнем слиянии, произошедшем 10 миллиардов лет назад, участвовала Карликовая эллиптическая галактика Стрельца, которая пожертвовала потоки газа и группы звезд звездному гало Млечного Пути. Но астрономы не полностью понимали эти объекты до тех пор, пока спутник Gaia не опубликовал второй набор данных в 2018 году.

Когда астрономы изучали подробные движения и положения около миллиарда звезд, появились признаки серьезного возмущения в галактике — они увидели галактические обломки в гало. Там некоторые звезды вращаются под экстремальными углами и имеют другой состав, чем другие, что позволяет предположить, что они возникли где-то в другом месте.

Астрономы восприняли эти странные звезды как свидетельство титанического столкновения Млечного Пути с другой галактикой. Слияние, которое, вероятно, произошло между 8 и 11 миллиардами лет назад, катастрофически разрушило бы молодой Млечный Путь, разорвало бы другую галактику в клочья и вызвало бы огненную бурю нового звездообразования.

Остатки сталкивающейся галактики теперь называются Гайя-Колбаса-Энцелад в результате того, что две команды независимо обнаружили остатки слияния. Одна команда назвала его в честь греческого божества Геи, изначальной матери Земли и всего живого, и ее сына Энцелада. Другой заметил, что остатки похожи на колбасу. (Некоторые астрономы спор что наступающая галактика была единственной вовлеченной в это явление, что позволяет предположить, что множество меньших столкновений в течение более длительного периода могли привести к образованию структур, которые мы видим сейчас.)

Слияние изменило все: ход гало Млечного Пути, внутреннюю выпуклость и уплощенный диск.

Теперь астрономы используют различные инструменты, чтобы понять время скопления Геи-Колбаски-Энцелад и то, как в результате вырос младенческий Млечный Путь.

В марте 2022, Маошэн Сян и Ханс-Вальтер Рикс из Института астрономии Макса Планка начали с определения Млечного Пути 1.0, протогалактики, существовавшей до каких-либо слияний. Они сделали это, используя древние субгигантские звезды которые меньше Солнца, израсходовали водородное топливо и теперь раздуваются. Яркость звезды-субгиганта соответствует ее возрасту, а ее свет служит отпечатком материала, из которого она родилась. Когда Сян и Рикс использовали эти подсказки, чтобы сделать вывод об истории миграции четверти миллиона звезд-субгигантов, они обнаружили, что толстый диск сформировался раньше, чем ожидалось в теориях формирования галактик — 13 миллиардов лет назад, всего в мгновение ока после Большого взрыва. .

Популярные космологические теории предполагают, что формирование таких крупных, четко определенных структур после Большого взрыва должно было занять больше времени. И все же они продолжай появляться в наблюдениях далеких галактик с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, сказал Розмари Вайс, астрофизик из Университета Джонса Хопкинса.

«Вы можете связать то, как, по нашему мнению, сформировалась наша галактика, с тем, что видит JWST. Можем ли мы получить целостную картину того, как образовалась галактика? Типична ли наша галактика?» она сказала.

Толстый диск мог существовать до основного слияния, но тонкий диск совпал с прибытием Геи-Колбасы-Энцелад, как обнаружили Сян и Рикс. Этот двусторонний процесс сборки, в результате которого образуются отдельные звездные диски, может быть обычным явлением и может иметь решающее значение для запуска звездообразования. После этого безумия уровень рождаемости снижается, но Млечный Путь по-прежнему рождает от 10 до 20 новых звезд в год.

Юси (Люси) Лу, который только что перешел из Колумбийского университета в Американский музей естественной истории, хотел понять историю галактического диска и то, как он менялся с течением времени. Для этого она изучила, как химические изменения в течение жизни звезд могут помочь определить места их рождения. Она сосредоточилась на похожих пухлых звездах-субгигантах и ​​в новой, неопубликованной работе обнаружила, что богатые металлами субгиганты — те, в которых много элементов тяжелее гелия — начали серьезно расти примерно во время слияния Геи, Колбаски и Энцелада. между 11 миллиардами и 8 миллиардами лет назад.

Доказательства существования Геи-Колбасы-Энцелад продолжают накапливаться. Но чего астрономы до сих пор не понимают, так это почему с тех пор все стало спокойно. По словам Лу, химическая и структурная история Млечного Пути кажутся нетипичными.

Андромеда, например, имеет гораздо более жестокую историю, чем Млечный Путь. Было бы странно, если бы нашу галактику так долго оставили в покое, учитывая историю других галактик и преобладающую космологическую модель, согласно которой галактики растут, сталкиваясь друг с другом, сказал Уайз. «История слияния необычна, как и история сборки. Действительно ли мы необычны во Вселенной… Я бы сказала, это все еще открытый вопрос», — сказала она.

Рождение нового острова

Пока астрономы собирают воедино прошлое галактики, другие изучают, почему окрестности галактики могут отличаться друг от друга так же, как города и пригороды — такая возможность поднимает вопрос о том, как планеты (и, возможно, жизнь) распределены по всей галактике.

Здесь, вокруг одной конкретной звезды Местного рукава, вокруг Солнца образовались восемь планет — четыре каменистые и четыре газообразные. Но другое оружие может быть другим. В этих средах могут образовываться разные популяции звезд и планет, точно так же, как специализированная флора и фауна развиваются на континентах с разными биосферами.

«Может быть, жизнь может возникнуть только в действительно тихой галактике. Возможно, жизнь может возникнуть только вокруг действительно тихой звезды», — сказал он. Джесси Кристиансен, астроном из Калифорнийского технологического института, изучающий условия в галактике и их влияние на формирование планет. «Это так сложно с такой статистической выборкой из одного человека; все [о нашей галактике] может быть важным, или ничто не может быть важным».

Спустя столетие после того, как Эдвин Хаббл нацарапал «ВАР!» На стеклянной пластинке множество галактик, находящихся в поле зрения JWST, меняет наши знания о космосе и нашем месте в нем. Точно так же, как мы можем использовать Млечный Путь в качестве астрофизической обсерватории для понимания более широкой Вселенной, мы также можем использовать более широкую Вселенную и ее миллиарды галактик, чтобы понять наш дом и то, как мы появились.

Астрономы продолжают использовать страницу из учебника Хаббла и внимательно изучать Андромеду, слабый эллипс на северном небе. Как и Гайя ближе к дому, спектроскопический инструмент темной энергии в Национальной обсерватории Китт-Пик будет измерять отдельные звезды в Андромеде и тщательно изучать их движение, возраст и химическое содержание. Уайс также планирует изучать отдельные звезды в соседней галактике, используя телескоп Субару на Мауна-Кеа.

Это позволит по-новому взглянуть на прошлое Андромеды и провести новое сравнение с нашей галактикой. Это также даст слабый взгляд на очень отдаленное будущее. Наша галактика в конечном итоге уничтожит две маленькие соседние галактики, Большое и Малое Магеллановы Облака, которые с воем проносятся через пространство в нашем направлении. Наша галактика уже начинает их переваривать.

«Если бы мы наблюдали все это через миллиард лет, это выглядело бы гораздо более запутанно», — сказал Конрой. «Просто мы оказались в то время, когда все относительно тихо».

Затем к нам присоединится и Андромеда. Галактика, охватывающая стеклянные пластины Эдвина Хаббла, больше не будет островной вселенной. Андромеда и Млечный Путь будут приближаться друг к другу, их звездные ореолы будут вращаться вместе. В течение времени, которое не поддается пониманию, диски также объединятся, нагревая холодный газ и заставляя его конденсироваться и зажигать новые звезды. На краях любой следующей структуры возникнут новые солнца, а вместе с ними и новые планеты. Но сейчас здесь, в Местном рукаве единственной галактики, которую мы когда-либо знаем, все тихо.