Звёзды нашей галактики хранят записи о её прошлом. Читая эти истории, астрономы узнают больше о том, как возник Млечный Путь, и о галактике, в которой мы живём сегодня
Новые наблюдения заставляют астрономов по-новому взглянуть на создание нашей галактики и пересмотреть схему современного Млечного Пути.
Поздно вечером 5 октября 1923 года Эдвин Хаббл сидел у окуляра телескопа Хукера в обсерватории Маунт-Вилсон, расположенной на вершине горы с видом на долину Лос-Анджелеса. Он наблюдал за объектом на северном небе. Для невооружённого глаза он был виден как слабое пятно. Но в телескопе он превратился в яркий эллипс, названный Туманностью Андромеды. Чтобы разрешить спор о размерах Млечного Пути, который тогда считался всей Вселенной, Хабблу нужно было определить расстояние до Андромеды от нас.
В поле зрения телескопа Андромеда была гигантом. Хаббл терпеливо сделал несколько экспозиций на многих стеклянных фотопластинках, а ранним утром 6 октября на маленькой стеклянной пластинке сделал 45-минутную экспозицию и нацарапал «N» там, где увидел три новые звезды, или новы. Но когда он сравнил своё изображение с фотографиями, полученными другими астрономами, то понял, что одна из новых звёзд на самом деле — переменная звезда Цефеида. Этот тип звёзд можно использовать для измерения астрономических расстояний.
Он вычеркнул одну букву «N» и написал «VAR!».
Используя эту пульсирующую звезду, Хаббл вычислил, что Андромеда находится на расстоянии 1 млн световых лет от Земли, т.е. на расстоянии, значительно превышающем диаметр Млечного Пути (он немного ошибся: Андромеда находится на расстоянии около 2,5 млн световых лет). И он понял, что Андромеда — это не просто туманность, а целая «островная вселенная» — галактика, отличная от нашей.
В 1923 г. астроном Эдвин Хаббл изменил наше представление о космосе, измерив расстояние до соседней Андромеды и обнаружив, что она является самостоятельной галактикой.
После разделения космоса на родную Галактику и большую Вселенную можно было всерьёз приступить к изучению нашего ограниченного по размерам дома и того, как он существует в рамках этой Вселенной. И сейчас, столетие спустя, астрономы продолжают делать неожиданные открытия о единственном космическом острове, на котором нам предстоит жить. Возможно, они смогут объяснить некоторые особенности Млечного Пути, заново представив себе, как он формировался и рос в ранней Вселенной, внимательно изучив его неровную форму и способность образовывать планеты. Последние результаты, полученные за последние четыре года, позволяют составить представление о нашем доме как об уникальном месте, находившемся в уникальное время.
Похоже, нам посчастливилось жить рядом с особенно тихой звездой на спокойной окраине галактики средних лет со странным наклоном и свободной спиралью, которая на протяжении большей части своего существования оставалась в одиночестве.
Наша островная Вселенная
С поверхности Земли, если вы находитесь в очень тёмном месте, можно увидеть только яркую полоску галактического диска Млечного Пути, причём с ребра. Но Галактика, в которой мы живём, гораздо сложнее.
В её центре вращается сверхмассивная чёрная дыра, окружённая «балджем» — звёздным клубком, в котором находятся самые старые звёздные обитатели галактики. Далее следует «тонкий диск» — видимая нами структура, в которой большинство звёзд Млечного Пути, включая Солнце, разделены на гигантские спиральные рукава. Тонкий диск окружён более широким «толстым диском», который содержит более старые звёзды, расположенные более равномерно. Наконец, вокруг этих структур расположено сферическое гало, состоящее в основном из тёмной материи, но содержащее также звёзды и диффузный горячий газ.
Чтобы составить карты этих структур, астрономы изучают отдельные звёзды. Состав каждой звезды фиксирует место её рождения, возраст и начальные ингредиенты, поэтому изучение звёздного света позволяет заниматься галактической картографией, а также генеалогией. Определяя положение звёзд во времени и месте, астрономы могут проследить историю и сделать вывод о том, как Млечный Путь постепенно возникал в течение миллиардов лет.
Первые серьёзные усилия по изучению формирования первозданного Млечного Пути были предприняты в 1960-х годах, когда Олин Эгген, Дональд Линден-Белл и Алан Сэндейдж, бывший аспирант Эдвина Хаббла, утверждали, что Галактика — это схлопнувшееся вращающееся газовое облако. Долгое время после этого астрономы считали, что первой структурой, возникшей в нашей Галактике, было гало, а затем яркий плотный диск звёзд. С появлением более мощных телескопов астрономы строили всё более точные карты и начали уточнять свои представления о том, как образовалась Галактика.
Всё изменилось в 2016 году, когда на Землю пришли первые данные со спутника Гайя Европейского космического агентства. Гайя точно измеряет траектории движения миллионов звёзд по всей Галактике, что позволяет астрономам узнать, где находятся эти звёзды, как они перемещаются в пространстве и с какой скоростью. С помощью Гайя астрономы смогли составить более чёткую картину Млечного Пути, которая обнаружила множество сюрпризов.
Выпуклость имеет не сферическую форму, а больше похожа на арахис и является частью более крупной полосы, проходящей через середину нашей галактики. Сама галактика искривлена, как край старой ковбойской шляпы. Толстый диск также неровный, становится толще к краям — возможно, он сформировался раньше гало. При этом астрономы даже не уверены в том, сколько спиральных рукавов на самом деле у нашей Галактики.
Карта нашей островной Вселенной не так аккуратна и спокойна, как казалось раньше.
«Если вы посмотрите на традиционную картину Млечного Пути, то увидите сферическое гало и диск правильной формы, и всё как бы устоялось и неподвижно. Но теперь мы знаем, что Галактика находится в состоянии неравновесия, — говорит Чарли Конрой, астроном из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики. — За последние несколько лет эта картина простоты и упорядоченности была полностью отброшена».
Новая карта Млечного Пути
Через три года после того, как Эдвин Хаббл понял, что Андромеда — это отдельная галактика, он и другие астрономы занялись съёмкой и классификацией сотен островных вселенных. Казалось, что эти галактики имеют несколько преобладающих форм и размеров, поэтому Хаббл разработал базовую схему классификации, известную как диаграмма «вилка настройки»; на ней галактики делятся 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 считается спиральной галактикой с рукавами, которые являются основной питательной средой для звёзд (а значит, и планет). В течение полувека астрономы считали, что существует четыре основных рукава: Стрельца, Ориона, Персея и Лебедя (мы живём в меньшем ответвлении, без воображения названном Местным рукавом). Однако новые измерения сверхгигантских звёзд и других объектов рисуют иную картину, и астрономы больше не могут договориться ни о количестве рукавов, ни об их размерах, ни даже о том, можно ли считать нашу Галактику необычной по сравнению с другими космическими островами.
«Поразительно, но почти ни у одной внешней галактики нет четырёх спиралей, простирающихся от её центра к внешним областям», — сообщил в своём электронном письме Сюй Йе, астроном из китайской обсерватории Purple Mountain.
Чтобы проследить спиральные рукава Млечного Пути, Йе и его коллеги использовали Гайя и наземные радиотелескопы для поиска молодых звёзд. Они обнаружили, что, как и у других спиральных галактик, у Млечного Пути есть только два основных рукава: Персея и Нормы. Вокруг его ядра также закручивается несколько длинных рукавов неправильной формы: рукава Центавра, Стрельца, Карины, Внешний и Местный. Похоже, что, по крайней мере, по форме Млечный Путь может быть более похож на далёкие космические острова, чем предполагали астрономы.
«Изучение спиралевидного Млечного Пути может показать, является ли он уникальным среди миллиардов галактик в наблюдаемой Вселенной», — пишет Йе.
Космические берега
Изучение Хабблом Андромеды и её переменной звезды было вызвано его ожесточённым соперничеством с другим известным астрономом Маунт-Вилсона, Харлоу Шэпли. Гарвардский астроном Генриетта Свон Льюитт стала пионером в использовании переменных звёзд Цефеид для измерения расстояний, и, используя её метод, Шэпли вычислил, что Млечный Путь насчитывает 300 000 световых лет в поперечнике — удивительное утверждение в 1919 году, когда большинство астрономов считали, что Солнце находится в центре галактики, а вся галактика простирается на 3 000 световых лет. Таким образом, Шэпли настаивал на том, что другие «спиральные туманности» должны быть газовыми облаками, а не отдельными галактиками, поскольку их размеры означали бы, что они немыслимо далеки.
Генриетта Свон Льюитт разработала ключевой метод измерения астрономических расстояний, основанный на пульсациях переменных звёзд — цефеид.
Хаббл, в свою очередь, записал результаты измерений переменных звёзд и убедил всех в том, что Андромеда действительно является отдельной галактикой. «Вот письмо, которое разрушило мою вселенную», — сказал Шэпли, ознакомившись с данными Хаббла.
Однако с точки зрения астрономических расстояний Шэпли, возможно, был не так уж и неправ. За прошедшее столетие астрономы подсчитали, что балдж Млечного Пути составляет около 12 000 световых лет в поперечнике, диск — 120 000 световых лет, а гало из тёмной материи и древних звёздных скоплений простирается на сотни тысяч световых лет во все стороны.
Недавнее наблюдение показало, что некоторые звёзды гало разбросаны на расстоянии до 1 млн световых лет, на полпути к Андромеде, что позволяет предположить, что гало, а значит, и галактика, не является самостоятельным островом Вселенной.
Астрономы под руководством Джесси Хана, аспиранта Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, недавно установили, что звёздное гало не сферическое, как считалось ранее, а имеет форму мяча для регби. В работе, опубликованной 14 сентября, Хан и его команда также показали, что гало из тёмной материи может быть наклонено примерно на 25 градусов, в результате чего вся галактика выглядит искривлённой.
И хотя это может показаться довольно странным, сам наклон может свидетельствовать о бурном прошлом Млечного Пути.
Возмущение в Галактике
За много веков до того, как Хаббл сел к окуляру, за тысячелетия до рождения Солнца, задолго до появления Млечного Пути, Большой взрыв разорвал всю материю и беспорядочно разбросал её по новорождённому космосу. В конечном итоге из кусков случайного мусора образовались первые галактики, положив начало 13-миллиардолетней истории, которая привела к нам. Астрономы спорят о тонкостях развития этих событий, но известно, что галактика, в которой мы сейчас живём, образовалась в результате сложного процесса, включающего слияния и поглощения.
Во всей Вселенной галактики сталкиваются и объединяются в невообразимо огромные структуры. Телескоп, названный в честь Эдвина Хаббла, постоянно фиксирует эти космические нагромождения. И хотя сегодня Млечный Путь относительно спокоен, он не является исключением: просматривая археологические записи, оставленные звёздами, потоками газа, шаровыми скоплениями, состоящими из тысяч и миллионов звёзд, и даже тенями поглощённых карликовых галактик, учёные всё больше узнают о том, как развивался Млечный Путь.
Первые намёки на насильственное прошлое появились, когда в 1992 г. астрономы, глядя в знаменитый 200-дюймовый телескоп Паломарской обсерватории (который первым использовал Хаббл), обнаружили свидетельства того, что Млечный Путь разрывает на части некоторые шаровые скопления в своём ореоле. Слоановский цифровой обзор неба подтвердил это наблюдение, а радиотелескопы позже обнаружили, что галактика также всасывает потоки близлежащего газа.
Поток Млечного Пути проносится по тёмному небу в сопровождении Большого и Малого Магеллановых Облаков. В конце концов, наша галактика поглотит своих меньших соседей.
К середине 2018 года астрономы пришли к выводу, что за время своего существования Млечный Путь слился с несколькими малыми галактиками, но большинство из них было достаточно мало. Считалось, что самое крупное слияние, произошедшее 10 млрд лет назад, было связано с карликовой эллиптической галактикой Стрельца, которая передала потоки газа и группы звёзд в звёздное гало Млечного Пути. Но астрономы не могли изучить эти объекты тщательнее, пока в 2018 году спутник Гайя не выпустил второй набор данных.
Когда астрономы изучили подробные данные о движении и положении миллиарда звёзд, появились признаки серьёзного нарушения в галактике. Учёные увидели в гало галактические обломки. Там некоторые звёзды вращаются под экстремальными углами и имеют состав, отличный от других, что говорит о том, что они возникли где-то в другом месте.
Астрономы приняли эти странные звёзды за свидетельство титанического столкновения Млечного Пути с другой галактикой. Слияние, произошедшее, вероятно, между 8 и 11 млрд лет назад, должно было катастрофически разрушить молодой Млечный Путь, разорвать другую галактику на части и вызвать бурю нового звёздообразования.
Остатки столкнувшейся галактики теперь называются Gaia-Sausage-Enceladus, что стало результатом независимого обнаружения остатков слияния двумя группами исследователей. Одна команда назвала его в честь греческого божества Геи, первозданной матери Земли и всего живого, и её сына Энцелада. Другая заметила, что остатки похожи на сосиску. (Некоторые астрономы оспаривают версию о том, что в слиянии участвовала только прилетевшая снаружи галактика, и предполагают, что множество более мелких столкновений за более длительный период могли привести к образованию тех структур, которые мы видим сейчас).
Слияние изменило всё: гало, внутренний балдж и сплюснутый диск Млечного Пути.
Сейчас астрономы используют различные инструменты, чтобы понять, когда произошло слияние Gaia-Sausage-Enceladus и то, как в результате родился и вырос Млечный Путь.
В марте 2022 г. Маошэн Сян и Ханс-Вальтер Рикс из Института астрономии Макса Планка начали с описания Млечного Пути 1.0 — протогалактики, существовавшей до слияний. Для этого они использовали древние звёзды-субгиганты, которые по размеру были меньше Солнца, израсходовали своё водородное топливо и теперь всё сильнее раздуваются. Яркость звезды-субгиганта соответствует её возрасту, и её свет служит отпечатком рождающегося материала. Когда Сян и Рикс использовали эти подсказки для вывода истории миграции четверти миллиона звёзд-субгигантов, они обнаружили, что толстый диск сформировался раньше, чем предполагалось в теориях образования галактик, — 13 млрд. лет назад, то есть буквально сразу после Большого взрыва.
Согласно популярным космологическим теориям, для формирования таких крупных, чётко очерченных структур после Большого взрыва должно было потребоваться больше времени. И всё же они продолжают появляться в наблюдениях далёких галактик с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, говорит Розмари Уайз, астрофизик из Университета Джона Хопкинса.
«Можно связать воедино то, как, по нашему мнению, сформировалась наша галактика, с тем, что видит Уэбб. Можем ли мы получить целостную картину формирования Галактики? Является ли наша галактика типичной?» — сказала она.
Толстый диск мог существовать ещё до основного слияния, а появление тонкого совпало с появлением Gaia-Sausage-Enceladus, как обнаружили Сян и Рикс. Такой процесс двухсторонней сборки, в результате которого образуются отдельные звёздные диски, может быть обычным явлением, и он, вероятно, имеет решающее значение для начала звёздообразования. С тех пор количество рождений звёзд уменьшилось, но в Млечном Пути по-прежнему образуется около 10-20 новых звёзд в год.
Соседняя галактика Андромеда — это спираль, похожая на наш Млечный Путь. Но у неё более бурное прошлое. В конце концов, Андромеда и Млечный Путь сольются воедино.
Юкси (Люси) Лу, только что перешедшая из Колумбийского университета в Американский музей естественной истории, хотела понять историю галактического диска и то, как он менялся с течением времени. Для этого она изучала, как химические изменения в течение жизни звёзд могут помочь определить место их рождения. Она сосредоточила своё внимание на подобных распухших звёздах-субгигантах и в новой, ещё не опубликованной работе обнаружила, что богатые металлами субгиганты — звёзды с большим содержанием элементов тяжелее гелия — начали активно расти примерно во время слияния Gaia-Sausage-Enceladus, между 11 и 8 миллиардами лет назад.
Доказательства существования Gaia-Sausage-Enceladus продолжают накапливаться. Но астрономы до сих пор не могут понять, почему с тех пор всё было спокойно. Химическая история Млечного Пути и его структурная история кажутся нетипичными, говорит Лу.
У Андромеды, например, гораздо более бурная история, чем у Млечного Пути. Было бы странно, если бы наша Галактика оставалась в одиночестве так долго, учитывая историю других галактик и преобладающую космологическую модель, согласно которой галактики растут, сталкиваясь друг с другом, сказал Уайз. «История её слияния необычна. Я бы сказала, что вопрос о том, являемся ли мы действительно необычным явлением во Вселенной, остаётся открытым», — сказала она.
Рождение нового острова
Пока одни астрономы по крупицам раскрывают прошлое галактики, другие изучают, как соседние галактики могут отличаться друг от друга, что поднимает вопрос о распределении планет (и, возможно, жизни) по галактике.
Здесь, вокруг одной конкретной звезды в Местном рукаве, Солнца, сформировалось восемь планет: четыре каменистые и четыре газовые. Но в других рукавах всё может быть иначе. Эти среды могут порождать различные популяции звёзд и планет, подобно тому как специализированная флора и фауна развивается на континентах с различными биосферами.
«Возможно, жизнь может возникнуть только в очень тихой галактике. Возможно, жизнь может возникнуть только вокруг очень тихой звезды, — говорит Джесси Кристиансен, астроном из Калифорнийского технологического института, изучающая галактические условия и их влияние на формирование планет. — Это так сложно оценить при наличии одной статистической выборки; всё [в нашей галактике] может быть важным, а может не быть ничего».
Спустя столетие после того, как Эдвин Хаббл нацарапал на стеклянной пластинке «VAR!», панорама галактик, разрешаемых в поле зрения JWST, меняет наши представления о космосе и нашем месте в нём. Подобно тому, как мы можем использовать Млечный Путь в качестве астрофизической обсерватории для понимания более широкой Вселенной, мы также можем использовать более широкую Вселенную и её миллиарды галактик для понимания нашего дома и того, как мы появились на свет.
Астрономы продолжают изучать Андромеду, тусклый эллипс на северном небе, по примеру Хаббла. Как и в случае с Gaia, спектроскопический прибор для изучения тёмной энергии в Национальной обсерватории Китт-Пик будет измерять отдельные звёзды в Андромеде и тщательно изучать их движение, возраст и химическое содержание. Уайз также планирует изучить отдельные звёзды в соседней галактике с помощью телескопа Subaru на Мауна-Кеа.
Это позволит получить новое представление о прошлом Андромеды и сравнить её с нашей галактикой. Кроме того, это позволит заглянуть в очень далёкое будущее. Наша галактика в конце концов уничтожит две небольшие близлежащие: Большое и Малое Магеллановы Облака, которые бешено несутся через весь космос в нашу сторону. Наша галактика уже начинает их переваривать.
«Если бы мы наблюдали это через миллиард лет, всё выглядело бы гораздо более беспорядочно, — сказал Конрой. — Мы же появились в тот момент, когда всё относительно спокойно».
Далее к нам присоединится и Андромеда. Галактика, запечатлённая на стеклянных пластинах Эдвина Хаббла, перестанет быть островной вселенной. Андромеда и Млечный Путь будут вращаться по спирали навстречу друг другу, их звёздные ореолы сплетутся. В непостижимые для нас временные масштабы диски также будут объединяться, нагревая холодный газ, заставляя его конденсироваться и зажигать новые звёзды. На краях очередной структуры появятся новые солнца, а вместе с ними и новые планеты. Но пока здесь, в Местном рукаве единственной галактики, которую мы когда-либо узнаем, всё спокойно.
