|
Взгляд инопланетного астронома на химию нашей галактики
|
|
|
|
Исследователи реконструировали то, что обнаружили бы инопланетные астрономы, наблюдающие за нашей галактикой Млечный Путь издалека, если бы они проанализировали химический состав нашей родной галактики. Исследование, которое проводят исследователи из Института астрономии Макса Планка, имеет отношение к нашему собственному пониманию космоса: оно позволяет провести новый вид сравнения между нашей родной галактикой и многими далекими галактиками, которые мы наблюдаем снаружи. Результаты дают часть ответа на старый вопрос, является ли наша родная галактика особенной: по крайней мере, когда дело доходит до химического состава, Млечный Путь необычен, но не уникален. Мы видим далекие галактики снаружи: наблюдения в телескоп показывают нам форму галактики и ее спектр (радужное разложение света галактики). Так как бы наша собственная галактика выглядела с этой точки зрения для далекого инопланетного астронома? Это обманчиво простой вопрос. В конце концов, астрономы здесь, на Земле, разработали довольно изобретательные способы определения свойств галактики из того, что мы наблюдаем, и астрономы-инопланетяне, вероятно, будут иметь такое же сложное представление о Млечном Пути.
|
|
|
|
Что касается более сложных методов анализа, то совсем непросто сказать, что обнаружили бы инопланетные астрономы, если бы они применили эти методы к нашей родной галактике. Но отдача может быть значительной. Цзяньхуэй Лиан (Астрономический институт Макса Планка и Юньнаньский университет), ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Nature Astronomy, говорит: «Найти способы сравнить нашу родную галактику с более далекими галактиками — это то, что нам нужно, если мы хотим знать, является ли Млечный Путь особенным или нет. Это был открытый вопрос с тех пор, как астрономы поняли сто лет назад, что Млечный Путь — не единственная галактика во Вселенной».
|
|
|
Каким бы старым ни был вопрос, похоже, что астрономия сейчас находится в хорошем положении, чтобы найти надежный ответ. Во-первых, за последнее десятилетие или около того был достигнут огромный прогресс в систематических исследованиях нашей родной галактики. Были проведены обзоры, такие как APOGEE, предоставляющие информацию о химическом составе, физических свойствах и трехмерных движениях миллионов отдельных звезд в нашем Млечном Пути, полученную из их спектров. Космический аппарат ESA Gaia отслеживает яркость, движение и расстояние до почти 1,5 миллиарда звезд в нашей родной галактике. Есть также гораздо больше и гораздо более качественные данные для далеких галактик. Обзор MaNGA изучил почти 10 000 галактик в глубину. В то время как предыдущие обзоры, нацеленные на такое количество галактик, давали только один общий спектр для каждой галактики, MaNGA рисует «спектральную картину», показывающую, как, скажем, химический состав каждой галактики варьируется от центра к внешним областям.
|
|
|
|
И последнее, но не менее важное: в настоящее время существуют современные симуляции формирования и эволюции галактик, такие как симуляция TNG50, которая прослеживает историю тысяч галактик в модельной вселенной с момента Большого взрыва до настоящего времени. Все эти разработки были необходимы нам, чтобы предсказать, что увидят инопланетные астрономы, когда они направят свои телескопы на Млечный Путь и попытаются реконструировать химический состав галактики. Это именно то, что сделало новое исследование под руководством Лиана и Марии Бергеманн (Институт астрономии Макса Планка). В частности, Лиан, Бергеманн и их коллеги рассмотрели химический состав звезд. Звезды, которые мы видим вокруг себя, состоят в основном из водорода и гелия, но есть небольшое количество элементов тяжелее гелия — элементов, которые в астрономии (но не в обычной химии!) называются «металлами».
|
|
|
|
Некоторые из этих металлов производятся внутри звезд и выбрасываются в космос, когда массивные звезды взрываются в конце своей жизни. Другие образуются во внешних слоях раздутых гигантских звезд и отправляются оттуда в космос. И самое главное, есть общая тенденция: концентрация металлов в межзвездной среде — разреженной смеси газа и пыли, заполняющей пространство между звездами, — увеличивается с течением времени. Звезды, которые родились раньше, содержат меньше металлов, звезды, родившиеся позже, содержат больше. Отметив, в каких регионах галактики есть звезды с меньшим или большим количеством металлов, вы узнаете, в каком регионе звезды образовались раньше, а в каком позже.
|
|
|
|
Наша родная галактика, Млечный Путь, в настоящее время является единственной спиральной галактикой, в которой мы можем напрямую проводить крупномасштабные исследования отдельных звезд — измерять их положение в нашей галактике и, по их спектрам, содержание металлов в них, температуру поверхности и другие физические параметры. характеристики. Лиан, Бергеманн и их коллеги решили реконструировать то, что увидели бы инопланетные астрономы, если бы они составили карту преобладания металлов в Млечном Пути. Поскольку наша родная галактика представляет собой дисковую галактику, ключевой вопрос заключается в следующем: как далекий инопланетный астроном увидит, что содержание металлов меняется в зависимости от расстояния региона от центра нашей галактики?
|
|
|
|
Такая реконструкция требует работы. Данные обзора APOGEE были лишь отправной точкой. Затем исследователям нужно было учесть тот факт, что с Земли мы видим Млечный Путь «нечетким»: в некоторых направлениях между нами и более далекими звездами будет больше пыли, ослабляющей звездный свет и скрывающей некоторые из них. самые тусклые звезды. В других направлениях будет меньше пыли. Исследователям нужно было объединить данные наблюдений с тем, что мы знаем о пыли и о свойствах звезд, чтобы реконструировать реальное распределение звезд в нашей галактике. Результаты несколько удивили. Если вы проследите среднее содержание металла в звездах от центра галактики наружу, оно будет увеличиваться, достигая содержания металла, близкого к содержанию металла в нашем Солнце, на расстоянии около 23 000 световых лет от центра. (Для сравнения: наше Солнце находится на расстоянии около 26 000 световых лет от галактического центра.) На еще большем расстоянии среднее содержание металлов снова снижается, падая примерно до одной трети солнечного значения на расстоянии около 50 000 световых лет от центра Галактики. центр.
|
|
|
|
Чтобы понять, что происходит, исследователи затем отдельно посмотрели на звезды разных возрастных групп — спектры APOGEE позволяют хотя бы приблизительно оценить звездный возраст. Глядя на молодых и старых звезд по отдельности, они обнаружили, что каждая возрастная группа в основном следовала непрерывной тенденции с более высоким содержанием металлов ближе к центру, а более низким - дальше. Увеличение и максимум общего распределения произошли исключительно из-за того, что более старые звезды (с гораздо более низким содержанием металлов) были более распространены вблизи галактического центра и, таким образом, снижали общее среднее значение, но более молодые звезды становились более частыми дальше. Лиан, Бергеманн и их коллеги сравнили этот интересный результат со свойствами других галактик. С одной стороны, они рассмотрели 321 галактику в обзоре MaNGA, все из которых имеют массу, подобную Млечному Пути, производят одинаковое количество звезд, и все они видны лицом к лицу, поэтому можно было измерить изменение средней металличности. С другой стороны, исследователи использовали те же критерии для идентификации 134 галактик, подобных Млечному Пути, в модельной вселенной моделирования TNG50.
|
|
|
|
Так насколько особенна наша родная галактика или нет? Ответ, который дает настоящее исследование: когда дело доходит до распределения содержаний металлов, наш Млечный Путь необычен, но не уникален. Только 11 % галактик в выборке TNG50 и около 1 % галактик в выборке MaNGA показали сходные скачки средней металличности. Расхождение между 11% и 1%, вероятно, связано с комбинацией неопределенностей в данных MaNGA и ограничением реалистичных симуляций во вселенной модели TNG50. Кроме того, во внешних областях уменьшение средней металличности по мере удаления от центра для Млечного Пути несколько более крутое, чем для галактик MaNGA и TNG50.
|
|
|
|
Так почему же Млечный Путь обладает такими необычными свойствами и что эти свойства означают для истории формирования нашей родной галактики? Есть несколько способов объяснить сравнительную редкость богатых металлами звезд вблизи галактического центра. Эта особенность может быть связана с формированием так называемой выпуклости, примерно сферической области более старой звезды, окружающей галактический центр на расстоянии около 5000 световых лет. Для образования выпуклости потребовалась бы большая часть доступного газообразного водорода, что значительно затруднило бы позднее звездообразование. В качестве альтернативы дефицит может быть связан с активной фазой, когда центральная сверхмассивная черная дыра нашей галактики извергала частицы и излучение из своего ближайшего окружения, препятствуя звездообразованию.
|
|
|
|
Металличность во внешних областях можно объяснить несколькими сценариями, которые сочетают в себе эволюцию газа в нашей родной галактике с историей звездообразования по всему галактическому диску. Крутой спад может быть признаком необычного эпизода в истории нашей галактики — скажем, наша родная галактика «проглотила» меньшую галактику с газом, содержащим очень мало металлов. Позже этот газ послужил сырьем для образования звезд с меньшим количеством металлов в диске. Также возможно, что наша оценка протяженности звездного диска Млечного Пути неверна, и что эта ошибка искажает сравнение с другими галактиками, когда дело доходит до того, насколько крутым является уменьшение.
|
|
|
|
Мария Бергеманн говорит: «Результаты очень захватывающие! Это первый раз, когда мы можем осмысленно сравнить подробный химический состав нашей галактики с измерениями многих других галактик. Результаты важны для следующего поколения всесторонних исследований формирования галактик. В этих исследованиях будут использоваться данные предстоящих крупномасштабных программ наблюдения, нацеленных на Млечный Путь или далекие галактики. Наше исследование показывает, как разумно объединить два вида набора данных». В целом, описанное здесь исследование поднимает ряд интересных вопросов. С новыми обзорами и новыми исследованиями, которые исследуют точку зрения «инопланетного астронома», мы можем надеяться найти ответы и лучше понять историю нашей родной галактики в процессе.
|
|
|
|
Источник
|
