Вчені розповіли чому Чумацький шлях має спіральні рукави

Нові дані з супутника Gaia, картографують зірки, допомагають вченим розкрити таємницю спіральних рукавів нашої галактики Чумацький Шлях.

Нещодавно опубліковані дослідження, які вивчають Early Data Release 3 (EDR3), розкривають спіральну структуру нашої галактики з більшою точністю і детальністю, ніж це було можливо раніше.

З 1950-х років астрономи знали, що наша галактика, Чумацький Шлях, виглядає як спіраль, з кількома щільними потоками зірок і пилу, що виходять із галактичного центру, що звиваються по галактичному диску і розчиняються по його краях. Однак вчені намагалися зрозуміти, скільки існує таких потоків і що їх породило.

“Проблема нашої галактики в тому, що ми знаходимося всередині її диска, і тому дуже важко зрозуміти структуру в цілому”, – сказала Space.com Елеонора Зорі, вчений з Інституту астрономії Макса Планка в Гейдельберзі (Німеччина) і автор однієї з нових робіт.

Місія Gaia Європейського космічного агентства (ЄКА) з 2014 року займається картографуванням Чумацького Шляху, вимірюючи точне положення і відстані від Землі майже двох мільярдів зірок. Перші дві партії даних, отриманих космічним апаратом, які були надані науковій спільноті у 2016 і 2018 роках, зробили революцію у вивченні нашої галактики. Крім фіксованих позицій, космічний апарат також вимірює швидкість руху зірок в тривимірному просторі, що дозволяє астрономам моделювати еволюцію Чумацького Шляху як в минулому, так і в майбутньому.

Останній випуск даних, EDR3, підвищує точність попередніх наборів даних. Саме ця точність дозволяє астрономам з більшою точністю відокремити спіральні рукави від інших зірок в галактичному диску.

Де знаходяться рукава?

“Ми визначаємо відстань до зірок за показником, який називається паралакс”, – говорить Зорі. “В останньому випуску програми вимір паралакса став на 20% краще. Це означає, що зірки, які раніше ми могли розглядати як частину однієї структури, тепер явно належать до різних структур”.

Паралакс – це видимий рух зірки на тлі дальших зірок при обертанні Землі навколо Сонця. Вимірюючи зміну кута між зіркою і Землею з двох протилежних точок на орбіті планети, астрономи можуть розрахувати відстань до зірки за допомогою простої тригонометрії.

В одній з нових робіт Зорі і її колеги розглянули скупчення гарячих яскраво-блакитних зірок, званих зірками типу OBA, в диску Чумацького Шляху. В областях, де спостерігалася концентрація цих зірок вище середнього, вони могли припустити існування спірального рукава. Потім вони порівняли результати свого аналізу з раніше розробленими моделями галактики.

“Положення спіральних рукавів відрізняється, а також відрізняється сила спіральних рукавів, їх яскравість”, – сказав Зорі.

Відомо, що Чумацький Шлях має два основних спіральні рукави – рукав Персея і рукав скутум-Центавра. Наша галактика також має два менш виражених рукавів, або відрогу, званих рукавом Стрільця і ​​Місцевим рукавом (який проходить близько до Сонця).

Але в дослідженні Зорі різниця між рукавами не здається настільки очевидною.

“Рукав Персея здається менш яскравим, а Місцевий рукав більш помітний”, – сказала вона.

Вчені можуть передбачити майбутній рух зірок в Чумацькому Шляху на основі даних Gaia.

“Два інших рукави – Стрілець і Скутум Центавра – в моєму дослідженні, здаються приблизно однаково яскравими”.

Колега Зорі Елоїза Поджио вивчила скупчення 600 000 молодих зірок, щоб визначити точне положення спіральних рукавів. Молоді зірки особливо цінні при вивченні спіральних рукавів, пояснила Поджио, оскільки вважається, що спіральні рукави з їх щільною концентрацією пилу і газу є місцем формування більшості зірок.

“Ми розрахували для кожної позиції диска, чи є ця область більш-менш населеній в порівнянні з середньою”, – сказав Поджио в інтерв’ю Space.com.

“Використовуючи цей підхід, ми змогли побудувати карту спіральних рукавів в області, яку відображає Gaia, тобто приблизно в 16 000 світлових років навколо Сонця”.

Коли дослідники порівняли свою карту галактики з попередніми моделями, вони виявили, що рукав Персея, один з двох домінуючих рукавів, лежить далі від центру галактики в досліджуваному регіоні. Короткий Місцевий рукав виявився набагато довше, ніж передбачалося в попередніх моделях.

Як формуються рукава?

Астрономи також все ще будують припущення про походження цих рукавів і їх довговічності. Деякі ранні теорії припускали, що форма рукавів якимось чином фіксована та обертається навколо галактичного центру протягом тривалого проміжку часу, в той час, як окремі зірки, обертаючись зі своїми власними швидкостями, переміщаються в цю форму і виходять з неї.

Однак ця так звана теорія хвиль щільності заперечується останніми відкриттями, зробленими місією Gaia. Багато вчених тепер вважають, що спіральні рукави можуть бути зовсім не постійними. Замість цього вони можуть формуватися тимчасово, в результаті обертання галактичного диска, а потім розчинятися і знову формуватися в іншій конфігурації.

Щоб з’ясувати, яка теорія вірна, Альфред Кастро з Лейденського університету в Нідерландах розглянув так звані відкриті скупчення – групи з тисяч молодих зірок, народжених з одного хмари газу і пилу. Через свого юного віку ці зірки все ще знаходяться поблизу місця свого народження, тобто всередині спіральних рукавів. Якби нові теорії були вірні, кількість молодих відкритих скупчень в спіральних рукавах було б більше, ніж кількість старих відкритих скупчень, припустив Кастро. Саме це і показали дані.

“Я побачив в даних, що спіральна структура, мабуть, містить молодше населення зірок, але зникає, якщо подивитися на старші зірки”, – сказав Кастро в інтерв’ю Space.com.

“Ми бачимо, що швидкість обертання форми більш-менш схожа на швидкість обертання зірок і змінюється в залежності від радіуса до галактичного центру. Форма і зірки не можуть бути розділені, і це означає, що у нас немає глобальної форми, яка була б спіральними рукавами, а потім зірками, що рухаються в них і з них, як припускає хвильова теорія щільності “.

Згідно з аналізом Кастро, спіральні рукави можуть існувати протягом 80-100 мільйонів років, що є малою часткою часу в 13-мільярдної життя нашої галактики.

Поджио використовував дані Gaia для складання карти регіонів Чумацького Шляху з високою концентрацією молодих зірок

Що дало Чумацькому Шляху спіральні рукави?

В майбутньому, сподівається Поджио, вчені зможуть з’ясувати, чому ці спіральні рукави в Чумацькому Шляху взагалі існують. Хоча деякі теорії припускають, що цей вихор зіркових потоків міг народитися після того, як інша, менша галактика врізалася в Чумацький Шлях, інші вважають, що він виник природним чином в результаті обертання галактичного диска.

“Ми очікуємо, що побачимо інші сигнатури в русі зірок, якщо спіральні рукави були викликані зовнішнім впливом”, – сказав Поджио. “Майбутні випуски даних Gaia дадуть нам більше інформації про рух зірок в більшій частині галактичного диска, і ми сподіваємося, що зможемо щось там знайти”.