space

Почему у Млечного Пути спиральные рукава?

Новые данные со спутника Gaia, созданного для построения звездных карт, помогают ученым раскрыть тайну спиральных рукавов нашей галактики Млечный Путь.

Недавно опубликованные исследования, посвященные Раннему выпуску данных 3 (EDR3), серии наблюдений, предоставленных научному сообществу в декабре прошлого года, показывают спиральную структуру нашей галактики с большей точностью и детализацией, чем это было возможно раньше.

С 1950-х годов астрономы знали, что наша галактика Млечный Путь выглядит как спираль с несколькими плотными потоками звезд и пыли, исходящими из центра галактики, вьющимися через галактический диск и растворяющимися по его краям. Однако ученые изо всех сил пытались понять, сколько существует этих потоков и что их породило.

«Проблема нашей галактики в том, что мы находимся внутри ее диска, и поэтому очень трудно понять структуру в целом», — сказала Элеонора Зари, ученый из института астрономии Макса Планка в Гейдельберге, Германия и автор одного из новых документов.

«Это похоже на то, чтобы быть в лесу и осматриваться. В какой-то момент деревья оказываются друг напротив друга. К тому же в лесу немного туман, поэтому вы действительно не можете увидеть, как выглядит весь лес».

Миссия Европейского космического агентства (ESA) Gaia составляет карту Млечного Пути с 2014 года, измеряя точные положения и расстояния от Земли почти до двух миллиардов звезд. Первые два пакета данных, полученных с помощью космического корабля, которые были переданы научному сообществу в 2016 и 2018 годах, произвели революцию в изучении нашей галактики.

Помимо фиксированных положений, космический аппарат также измеряет скорость движения звезд в трехмерном пространстве, что позволяет астрономам моделировать эволюцию Млечного Пути как в прошлом, так и в будущем. Последний выпуск данных, EDR3, повышает точность предыдущих наборов данных. Именно эта точность позволяет астрономам с большей точностью отделить спиральные рукава от остальных звезд в галактическом диске.

Где оружие? «Мы выводим расстояние до звезд из меры, называемой параллаксом», — сказал Зари. «И это измерение параллакса на 20% лучше в последней версии. Это означает, что звезды, которые раньше мы могли видеть как часть одной и той же структуры, теперь явно принадлежат к разным структурам».

Параллакс — это видимое движение звезды на фоне более далеких звезд, когда Земля вращается вокруг Солнца. Измеряя изменение угла между звездой и Землей из двух противоположных точек на орбите планеты, астрономы могут рассчитать расстояние до звезды с помощью простой тригонометрии.

В одной новой статье Зари и ее коллеги рассмотрели скопления горячих ярких синих звезд, названных звездами типа OBA, в диске Млечного Пути. В областях, где они могли видеть концентрацию этих звезд выше средней, они могли предположить существование спирального рукава. Затем они сравнили свой анализ с ранее разработанными моделями галактики.

«Положение спиральных рукавов другое, а также сила спиральных рукавов, насколько они яркие, разная», — сказал Зари. Известно, что у Млечного Пути есть два основных спиральных рукава: рука Персея и рука Щита-Центавра. У нашей галактики также есть два менее выраженных рукава, или отрога, называемые Стрелец и Местный рукав (который проходит близко к Солнцу).

Но в исследовании Зари разница между руками не кажется такой очевидной. «Рука Персея кажется менее яркой, а вместо этого Местная рука более заметна», — сказала она. «Как и две другие руки — Стрелец и Щит Центавра — по крайней мере, в моем исследовании, они, кажется, имеют примерно одинаковую яркость».

Коллега Зари Элоиза Поджио изучила скопления 600 000 молодых звезд, чтобы определить точное положение спиральных рукавов. Поджио объяснил, что молодые звезды особенно ценны при изучении спиральных рукавов, поскольку считается, что именно спиральные рукава с их плотной концентрацией пыли и газа являются местом образования большинства звезд.

«Мы вычислили для каждой позиции на диске, была ли эта область более или менее заселена по сравнению со средним значением», — сказал Поджио. «Используя этот подход, мы смогли построить карту спиральных рукавов в области, отображаемой Гайей, то есть примерно в 16 000 световых лет вокруг Солнца».

Когда исследователи сравнили свою карту галактики с предыдущими моделями, они обнаружили, что рукав Персея, одно из двух доминирующих рукавов, находится дальше от центра галактики в изучаемой области. Короткое плечо Local оказалось намного длиннее, чем ожидали предыдущие модели.

Как складываются руки? Астрономы также все еще размышляют о происхождении этих рук и их долговечности. Некоторые более ранние теории предполагали, что форма рукавов каким-то образом фиксирована и вращается вокруг галактического центра в течение длительного периода времени, в то время как отдельные звезды, вращаясь со своими собственными скоростями, перемещаются в эту форму и выходят из нее.

Однако эта так называемая теория волн плотности оспаривается последними открытиями, сделанными миссией Gaia. Многие ученые теперь думают, что спиральные рукава могут вообще не фиксироваться.

Вместо этого они могут образоваться временно в результате вращения галактического диска, а затем раствориться и снова преобразоваться в другую конфигурацию. Чтобы выяснить, какая теория верна, Альфред Кастро из Лейденского университета в Нидерландах изучил так называемые рассеянные скопления, группы из тысяч молодых звезд, рожденных из одного облака газа и пыли.

Из-за своего юного возраста эти звезды все еще находятся недалеко от места своего рождения, то есть внутри спиральных рукавов. Кастро предположил, что если бы новые теории были верны, количество более молодых рассеянных скоплений в спиральных рукавах было бы больше, чем количество более старых рассеянных скоплений.

И это именно то, что показали данные. «Я видел в данных, что спиральная структура, кажется, содержит более молодую популяцию звезд, но исчезает, если вы посмотрите на более старые звезды», — сказал Кастро.

«Мы видим, что скорость вращения формы более или менее похожа на скорость вращения звезд и изменяется в зависимости от радиуса к центру Галактики. Форма и звезды не могут быть разделены, и это означает, что мы не можем имеют глобальную форму, которая будет представлять собой спиральные рукава, а затем звезды, входящие и выходящие из них, как предполагает теория волн плотности».

Согласно анализу Кастро, спиральные рукава могут существовать от 80 до 100 миллионов лет, что составляет небольшую долю времени в 13-миллиардной жизни нашей галактики. Что дало Млечному Пути спиральные рукава? Поджио надеется, что в будущем ученые смогут выяснить, почему эти спиральные рукава в Млечном Пути вообще существуют.

В то время как некоторые теории предполагают, что этот водоворот звездных потоков мог появиться после того, как другая, меньшая галактика врезалась в Млечный Путь, другие полагают, что он возник естественным образом в результате вращения галактического диска.

«Мы ожидаем, что увидим разные сигнатуры в движении звезд, если бы спиральные рукава были вызваны внешним воздействием», — сказал Поджио. «Будущие выпуски данных Gaia дадут нам больше информации о движении звезд в большей части галактического диска, и мы надеемся, что сможем что-то там найти».

Ожидается, что следующая партия данных Gaia, полный выпуск данных 3, станет доступной для ученых всего мира примерно в середине 2022 года. Gaia, одна из самых продуктивных миссий в истории (если судить по количеству опубликованных научных работ), будет продолжать сканирование неба до 2025 года.

Созданные ею обширные каталоги положений, движений и скоростей звезд будут держать астрономов занятыми на десятилетия вперед. 

Поделиться с друзьями: