Млечный Путь выглядит как гигантская спираль из сотен миллиардов звёзд, но его устройство хранит неожиданную особенность. Галактический диск состоит из двух перекрывающихся компонентов: сравнительно тонкого слоя, где находится Солнце, и более протяжённого толстого диска, населённого преимущественно древними звёздами. Долгое время астрономы спорили, возникли ли эти различия при рождении звёзд или сформировались позднее под действием гравитационных возмущений. Новое исследование указывает на то, что Млечный Путь рос своеобразным способом — от толстого диска к тонкому.
В современной галактике тонкий диск содержит большую часть холодного газа, пыли и областей активного звездообразования. Именно в нём расположены спиральные рукава и наша Солнечная система. Толстый диск простирается значительно дальше от центральной плоскости и содержит преимущественно старые звёзды, многие из которых отличаются пониженным содержанием тяжёлых химических элементов. Для астрономов это своеобразный архив ранней истории галактики.
Под тяжёлыми элементами, или металлами, астрофизики понимают практически всё, что тяжелее водорода и гелия. Первые поколения звёзд возникали из вещества, бедного такими элементами, а последующие постепенно обогащались продуктами звёздного синтеза и взрывов сверхновых. Поэтому химический состав помогает установить, в каких условиях формировалась звезда. Однако одного состава недостаточно, чтобы восстановить историю движения вещества внутри галактики.
Существовали два основных объяснения происхождения толстого диска. Согласно первому, звёзды первоначально рождались в относительно тонком слое, но со временем гравитационные взаимодействия с гигантскими газовыми облаками, спиральными рукавами и центральной перемычкой изменяли их орбиты. Часть звёзд постепенно поднималась выше и ниже галактической плоскости, образуя более толстую структуру. Такой процесс называют динамическим нагревом, хотя речь идёт не о повышении температуры звёзд, а об увеличении разброса их скоростей.
Вторая гипотеза предполагает обратную последовательность. Молодой Млечный Путь первоначально представлял собой более турбулентную и вертикально протяжённую систему, в которой звёзды рождались на орбитах с большим разбросом высот. Постепенно межзвёздный газ терял энергию, становился менее хаотичным и оседал ближе к центральной плоскости. Каждое новое поколение звёзд формировалось уже в более тонком слое, тогда как древние звёзды сохраняли характерные для своего рождения орбиты.
Различить эти сценарии трудно, поскольку современное расположение звезды не обязательно совпадает с местом её рождения. Для проверки необходимо знать возраст большого числа звёзд и сопоставить его с их пространственным распределением. Особенно сложна датировка древнейших звёзд, поскольку их наблюдаемые характеристики изменяются медленно. Именно недостаточная точность возрастных оценок долго мешала выбрать между конкурирующими моделями.
Группа под руководством Давида Мирабаля из Института астрофизики Канарских островов использовала данные европейской космической миссии Gaia. Эта обсерватория измеряет положения, расстояния, движения и другие характеристики огромного количества звёзд. Исследователи применили метод ChronoGal, основанный на сопоставлении наблюдаемых распределений звёзд по цвету и светимости с моделями звёздной эволюции. Такой анализ позволяет оценивать возраст и металличность звёздных популяций, а затем исследовать, как менялась их вертикальная структура.
Ключевым параметром стала высота масштаба диска — величина, характеризующая, насколько быстро уменьшается плотность звёзд при удалении от галактической плоскости. Это не жёсткая физическая граница, поскольку отдельные звёзды могут находиться значительно дальше. Чем больше высота масштаба, тем более вертикально протяжённой является соответствующая звёздная популяция. Сопоставление этого показателя с возрастом выявило неожиданно чёткую смену темпа эволюции.
Около 10,85 миллиарда лет назад произошло резкое изменение скорости истончения диска. Для более древних популяций высота масштаба уменьшалась приблизительно с 1,26 до 0,5 килопарсека всего за два миллиарда лет. Это соответствует примерно 4100 и 1600 световым годам соответственно. Позднее уменьшение происходило значительно медленнее, а у самых молодых популяций высота масштаба составляет около 0,1 килопарсека, или 330 световых лет.
Полученная картина указывает на две разные эпохи формирования Млечного Пути. Сначала галактика пережила период интенсивной турбулентности, когда газ и рождавшиеся из него звёзды занимали сравнительно толстый слой. Затем газовая среда стала спокойнее, а звездообразование постепенно сосредоточилось ближе к галактической плоскости. Таким образом, толстый диск мог возникнуть непосредственно при рождении древних звёзд, а не только вследствие их последующего рассеяния.
Это не означает, что гравитационные возмущения никогда не изменяли звёздные орбиты. Столкновения с газовыми облаками, взаимодействия со спиральными структурами и последствия слияний галактик продолжают влиять на звёздную динамику. Однако исследование показывает, что первоначальное оседание газового диска, вероятно, сыграло определяющую роль в возникновении его двухслойной структуры. Вывод основан на восстановлении истории звёздных популяций, а не на прямом наблюдении молодой галактики.
Главное значение работы заключается в появлении временной шкалы, связывающей возраст звёзд с изменением толщины Млечного Пути. Резкий перелом около 10,85 миллиарда лет назад указывает на переход от быстрого формирования толстого компонента к длительному спокойному развитию тонкого диска. Эта закономерность позволяет точнее проверять компьютерные модели эволюции спиральных галактик. Оказывается, нынешняя плоская структура Млечного Пути возникла не сразу: она постепенно сформировалась внутри гораздо более беспокойной и объёмной звёздной системы.
А затем «Добавить на главный экран».
