Внутри Млечного Пути может скрываться еще одна галактика: как ученые вычислили потерянную систему «Локи» по химическому составу

Cтруктура Млечного Пути обычно описывается через разделение на несколько основных компонентов, главными из которых являются галактический диск и гало. Галактический диск это такая плоская структура, в которой сосредоточена основная масса межзвездного газа и где непрерывно идут процессы формирования новых звезд. Светила в диске двигаются по круговым орбитам в одном направлении и отличаются высоким содержанием тяжелых химических элементов, которые астрономы называют металлами. Гало, напротив, представляет собой обширную разреженную сферическую область вокруг диска. В гало находятся самые старые звезды Галактики, их орбиты хаотичные и вытянутые, а в химическом составе очень сильный дефицит тяжелых элементов.

Долгое время считалось, что эти две популяции разделены пространственно и кинематически. Однако детальные наблюдения последних лет выявили группу объектов, выбивающихся из этой классификации. Непосредственно в плоскости галактического диска были обнаружены древние звезды с крайне низким содержанием металлов. Более того, анализ их движения показал, что часть из них вращается в прямом направлении (проградно, вместе с основным диском), а часть — в обратном (ретроградно, против вращения диска).

Международная группа ученых провела спектроскопическое исследование 20 таких звезд, чтобы выяснить их происхождение. Результаты работы указывают на то, что эти объекты не являются случайным набором звезд гало, пересекающих плоскость Галактики. Данные доказывают, что все они принадлежали единой карликовой галактике, которая столкнулась с Млечным Путем на ранних этапах его эволюции и была разрушена его гравитацией. Авторы исследования дали этой исчезнувшей системе название «Локи».

Спектроскопия и химическое родство

Ключевым инструментом в изучении эволюции Галактики является химический анализ звездных атмосфер. Звезда на протяжении миллиардов лет сохраняет на своей поверхности тот химический состав, который был характерен для газового облака в момент ее формирования. Поэтому химия работает как достаточно надежный маркер происхождения объекта.

Для исследования астрономы использовали спектрограф высокого разрешения ESPaDOnS, установленный на телескопе CFHT. Прибор позволил с высокой точностью измерить концентрацию 23 различных химических элементов в атмосферах выбранных 20 звезд (11 проградных и 9 ретроградных). Все эти звезды относятся к категории очень бедных металлами (Very Metal-Poor, VMP). Содержание железа в них составляет менее одного процента от того объема, который наблюдается в Солнце. Это подтверждает, что звезды образовались на очень раннем этапе развития Вселенной, когда межзвездная среда еще не была обогащена продуктами жизнедеятельности множества поколений звезд.

При сравнении спектров проградных и ретроградных звезд исследователи обнаружили, что их химический состав практически идентичен. Если бы эти 20 объектов образовались в разных регионах Вселенной и были независимо захвачены Млечным Путем, их химические профили демонстрировали бы значительный разброс. Однако данные показали очень узкую дисперсию: соотношение различных элементов совпадает у всей группы. Применение алгоритмов филогенетического анализа (метода, который группирует объекты на основе схожести их характеристик) математически подтвердило, что исследуемые звезды имеют общее происхождение и сформировались в единой, изолированной газовой среде.

Хронология по химическим элементам

Изучение конкретных пропорций химических элементов позволило ученым восстановить график звездообразования внутри системы «Локи» до того, как она была разрушена.

В спектрах обнаружено высокое содержание элементов, синтезируемых в ходе r-процесса (процесса быстрого захвата нейтронов), в частности европия. В современной астрофизике считается, что основным источником таких элементов во Вселенной являются слияния нейтронных звезд. Кроме того, в звездах зафиксировано присутствие альфа-элементов (магний, кремний, кальций), которые выбрасываются в космос при взрывах массивных звезд — сверхновых с коллапсом ядра (сверхновые II типа). Такие взрывы происходят быстро, спустя всего несколько миллионов лет после формирования массивной звезды.

Однако самым важным результатом стало то, чего астрономы не нашли в спектрах. В химическом составе исследуемых звезд полностью отсутствуют следы элементов, которые производятся сверхновыми типа Ia. Этот тип сверхновых возникает в двойных звездных системах, когда белый карлик перетягивает на себя массу звезды-компаньона и взрывается в результате термоядерной реакции. Особенность этого процесса в том, что для эволюции звезды до стадии белого карлика и последующего накопления массы требуется длительное время — около одного миллиарда лет.

Отсутствие химических маркеров сверхновых типа Ia означает жесткий временной предел. Звездообразование в галактике «Локи» началось, породило быстрые взрывы массивных звезд и слияния нейтронных звезд, но резко прекратилось менее чем через миллиард лет. Единственная физическая причина, способная так быстро остановить формирование звезд в целой галактике — это потеря газа. Вероятно, именно в этот момент система столкнулась с Млечным Путем. Гравитация и сопротивление среды нашей Галактики лишили систему «Локи» межзвездного газа, навсегда остановив в ней рождение новых светил.

Физика орбитального парадокса

Наиболее сложной задачей для исследователей было объяснение кинематики звезд «Локи». Требовалось понять физический механизм, который позволил обломкам одной карликовой галактики оказаться в плоскости галактического диска Млечного Пути, разделившись при этом на две группы, движущиеся в противоположных направлениях.

Для проверки гипотез астрономы обратились к космологическим симуляциям (проект NIHAO-UHD), которые детально рассчитывают гравитационные взаимодействия и гидродинамику при формировании галактик. Анализ симуляций показал вероятный сценарий интеграции.

Примерно 3,8 миллиарда лет назад, на раннем этапе сборки Млечного Пути (когда он представлял собой формирующийся прото-диск с неглубоким гравитационным потенциалом), система «Локи» приблизилась к нему под углом менее 40 градусов. В этот момент начал работать физический механизм, известный как динамическое трение. При движении массивного объекта через среду, состоящую из звезд и темной материи крупной галактики, гравитационное взаимодействие заставляет этот объект терять кинетическую энергию. В результате динамического трения орбита падающей галактики начала уплощаться, притягиваясь к формирующейся плоскости Млечного Пути.

По мере сближения вступили в силу приливные силы. Разница в гравитационном притяжении, действующем на ближнюю и дальнюю стороны карликовой галактики, привела к ее разрыву. Симуляции показывают, что в условиях слабого гравитационного поля раннего Млечного Пути такое приливное разрушение при малом угле падения неизбежно приводит к сильному рассеиванию материала. Часть звезд сохраняет момент импульса, совпадающий с направлением вращения формирующегося диска. Другая часть, в результате сложного перераспределения энергии при разрыве системы, оказывается выброшенной на ретроградные орбиты, но при этом остается в пределах той же плоскости.

Используя модели галактической химической эволюции, астрономы также подсчитали, что изначальная барионная масса системы «Локи» (суммарная масса газа и звезд до столкновения) составляла приблизительно 1,4 миллиарда масс Солнца.

Значение для астрофизики

Исследование звезд, отнесенных к системе «Локи», дает наблюдательные доказательства сложных процессов формирования галактического диска. Ранее считалось, что ультрабедные металлами звезды могут находиться исключительно в сферическом гало, а диск формируется только из газа, постепенно оседающего к экватору Галактики.

Новые данные показывают, что ранний этап эволюции Млечного Пути сопровождался поглощением массивных систем, обломки которых способны интегрироваться непосредственно в плоскую структуру диска. Выявление групп звезд с идентичным химическим составом, но разнонаправленными орбитами, доказывает, что диск Галактики не является полностью однородной структурой, сформированной только внутренними процессами. Он содержит в себе прямые физические следы древних слияний, анализ которых позволяет детально восстановить хронологию формирования Млечного Пути.

Источник:Monthly Notices of the Royal Astronomical Society