"Галактическая сага". Часть 5. Формирование диска Млечного пути

Часть 4. http://artefact-2007.blogspot.ru/2013/12/4.html

    Ученые при помощи Hubble смогли «проследить» эволюцию Млечного Пути

    «Hubble (Хаббл), космический телескоп NASA, обнаружил первое визуальное свидетельство того, как наша галактика, Млечный Путь, стала величественной звездной спиралью, которую мы можем видеть сегодня. 
    Астрономы использовали Hubble с его возможностью глубокого небесного обзора для изучения эволюции 400 галактик, похожих на Млечный Путь, обращая внимание на то, как они выглядят на разных стадиях их развития с временными границами около 11 миллиардов лет. Судя по изображениям этих широко раскинувшихся по Вселенной галактик, ученые пришли к выводу, что Млечный Путь, скорее всего, начал свою эволюцию как слабый, голубоватый объект с низкой массой, состоящий из большого количества газа. Газ – это «топливо», благодаря которому рождаются звезды, а голубой цвет указывает на быструю звездную формацию. 

Формирование галактик - возраст старше 7,8 млрд лет

    Они так же обнаружили, что Млечный Путь, возможно, был плоским диском с балджем (выпуклостью, вздутием) в середине, и что оба они одновременно росли, создавая грандиозную спираль, которая существует сегодня. Солнце и Земля располагаются в диске, а балдж полон более старых звезд; так же в нем находится сверхмассивная черная дыра, которая, возможно, росла вместе с галактикой. 

    "В первый раз у нас есть снимки, которые позволяют предположить, как именно выглядел Млечный Путь в прошлом. Конечно, мы не можем видеть прошлое Млечного Пути. Мы выбрали галактики, расположенные в миллиардах световых лет от нас, которые позже разовьются в галактики, подобные Млечному Пути. Исследуя «младших братьев» нашей галактики, мы выяснили, что 90 процентов ее звезд образовалось в промежутке времени между 11 млрд и 7 млрд лет назад, - такие выводы получены впервые", - заявляет один из руководителей исследования Питер Г. ван Доккум (Pieter G. van Dokkum) из Йельского Университета. 
    Благодаря очень высокому разрешению снимков, сделанных Hubble, которое позволяет различить мельчайшие детали, ученые смогли изучить, как структура Млечного Пути менялась с течением времени. На пике звездной формации, когда Вселенной было около 4 млрд лет, в галактиках, подобных Млечному Пути, рождалось в среднем около 15 звезд в год. Для сравнения, в настоящее время Млечный путь «рожает» в год по одной звезде. 

Формирование галактик - возраст до 9,4 млрд лет

    "Можно увидеть, что эти галактики выглядят рыхлыми и растянутыми в пространстве. Нет свидетельств существования балджа без диска, такого, вокруг которого диск формируется позже. Это говорит о том, что балдж и диск Млечного Пути росли одновременно, в отличие от более массивных эллиптических галактик, которые вначале формировали центральный балдж", - добавляет соавтор работы, Шеннон Пател (Shannon Patel), Университет Лейдена в Нидерландах

    Для того, чтобы рассмотреть в деталях и изучить эти удаленные друг от друга галактики, команда исследователей использовала три основные программы Hubble: 3D-HST Survey, Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey и Great Observatories Origins Deep Survey. Эти обзоры объединяют спектроскопию со снимками, сделанными в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне Широкоугольной Камерой 3 (Wide Field Camera 3) и Улучшенной Камерой для Обзоров (Advanced Camera for Surveys) телескопа.

    Анализируя данные, ученые измеряли размеры галактик и расстояния между ними и в них. Астрономы высчитывали массу каждой галактики, исходя из ее цвета и яркости. Галактики для анализа были выбраны из каталога, в котором было собрано более 100000 галактик». (15 ноября 2013, 13:27:04).  

    Млечный Путь формировался изнутри наружу

    «Проект «Gaia - Европейская южная обсерватория» объединяет только что «заступивший на вахту» космический телескоп с наземными средствами наблюдения. И наземные компоненты системы показали отличный результат ещё до получения первых плодов работы космического собрата.
    Используя данные «Очень большого телескопа», что расположен в Чили, исследователи во главе с Джерри Гилмором (Gerry Gilmore) из Кембриджского университета (Великобритания) показали, что, судя по распределению химических элементов в галактическом диске, наша Галактика формировалась сначала в районах, прилегающих к ядру, и лишь затем постепенно распухала во все стороны.

Сначала Млечный Путь был много компактнее, и лишь по мере взросления и поглощения соседних галактик он расширился до своей современной периферии. (Здесь и ниже иллюстрации Wikimedia Commons, Joe Parks, Gaia-ESO).

    Массивные звёзды, чаще всего нарабатывавшие те или иные элементы, включая магний, разбрасывают его по своим окрестностям при взрыве, который ставит точку в их жизненном цикле. Хотя это давно известно, отследить распространение магния в различных звёздах Галактики долгое время не удавалось. 

    На сей раз астрономы сравнили содержание магния в так называемом Солнечном круге - той части Галактики, которая находится внутри орбиты Солнца, обращающегося вокруг центра Млечного Пути. Выяснилось следующее: тамошние светила богаты магнием куда чаще, чем их аналоги за пределами этого круга.
    При этом вне круга звёзды могут быть как металлически богатыми, так и бедными, однако средний их возраст много меньше, чем внутри круга, и даже при общей высокой металличности магния в них меньше, чем у столь же богатых тяжёлыми элементами светил внутри «Солнечного круга».
    Кроме прочего, выяснилось и то, что звёзды в молодом «тонком диске» Галактики, имеющие возраст до 8 млрд лет, почти все характеризуются сходной степенью металличности, вне зависимости от того, живут ли они семь или один миллиард лет. При этом многие из них весьма богаты тяжёлыми элементами.

Та часть Галактики, что лежит внутри Солнечного круга, определённо древнее и богаче магнием

    А вот звёзды старше 9 млрд лет, частые для так называемого толстого диска Галактики, плавно «теряют» в металличности с возрастом, и при этом ни одна из тех, что перевалила за этот рубеж, не может похвастаться изобилием тяжёлых элементов. В то же время отдельные светила обоих дисков могут иметь самый разный возраст, и нельзя сказать, что в «толстом» или «тонком» диске сосредоточены объекты лишь одной группы.

    В ближайшее время эти данные будут значительно дополнены наблюдениями космического телескопа «Gaia».
    Отчёт об исследовании вскоре появится в журнале Astronomy and Astrophysics, а его препринт доступен на сайте arXiv. Подготовлено по материалам Кембриджского университета». (20 января 2014 года, 20:30). 

    В Млечном пути нашли следы давних столкновений с коллегами

Млечный путь возрастом в 4,1; 8,5 и 13,5 миллиарда лет. (Изображение: AIP)

    «Ученые из Потсдамского астрофизического института обнаружили, что необычно низкая вертикальная скорость старых звезд в нашей галактике может объяснятся столкновениями с другими звездными скоплениями, произошедшими в ранней истории Млечного пути. Работа ученых принята к публикации в журнале Astrophysical Journal Letters, ее препринт доступен на сайте Корнельского университета. Кратко о работе можно прочитать на сайте института.

    Исследование основано на анализе вертикальной (перпендикулярной плоскости галактики) скорости звезд Млечного пути. Эти данные о скоростях были собраны в эксперименте RAVE (RAdial Velocity Experiment). Ученые обнаружили, что наиболее старые звезды, — те, для которых характерно максимальное отношение концентраций магния к железу, — имеют необычно низкие скорости, хотя обычно между возрастом светила и его быстротой его движения существует положительная корреляция.
    Объяснить необычное распределение скоростей помогло компьютерное моделирование эволюции нашей галактики. Ученые обнаружили, что низкая скорость старых звезд может объясняться гравитационным действием небольших галактик, с которыми Млечный путь сталкивался в прошлом. Такие галактики не могут оказывать существенного влияния на находящуюся в центре Млечного пути основную массу звезд, но способный «вытаскивать» в более удаленные районы те из них, которые обладают низкой вертикальной скорость. Именно их удалось обнаружит в ходе эксперимента RAVE.
    Столкновения галактик являются неотъемлемой частью их эволюции. Обычно в результате этого процесса происходит резкое увеличение скорости образования новых звезд или появляются звездные скопления причудливой формы. В истории Млечного столкновения происходили не только в прошлом, но и предсказываются в будущем. Так, через четыре миллиарда лет наша галактика должна столкнуться с галактикой Андромеда, в результате чего Солнце выбросить на периферию нового звездного скопления в 26 тысячах световых лет от нынешнего положения». (21 января 2014, 14:42).

    За счет чего за последние 8 млрд. лет формируются звезды

    «За счет чего в нашей галактике Млечный Путь происходит (на протяжении более чем 8 миллиардов лет!) формирование все новых и новых звезд? Извечная проблема и загадка Вселенной и космоса, которую так давно пытаются разрешить астрономы и ученые со всего мира...
    Когда умирают звезды, определенное количество их газовой составляющей отправляется снова в открытый космос, или другими словами, в галактическое пространство. Именно тут, как известно, образуются новые звезды. Но на протяжении довольно долгого отрезка времени огромное количество газа остается попросту "запертым" внутри долгожителей – карликовых звезд. Из этого следует, что галактики (в том числе и наш Млечный Путь) должны пополнять свои запасы газа. Сегодня астрономы полагают, что газ попадает в галактику непосредственно из межгалактического пространства, и вполне возможно из каких-либо облаков газа. В частности, данный газ используется как некое топливо для формирования все новых и новых звезд в галактике. Однако тут все не так просто как может изначально казаться.
    В случае если обычное газовое облако столкнулось с теплой внешней оболочкой той или иной галактики – ее гало – то газ попросту рассеялся бы в открытом пространстве. Он никак не смог бы достигнуть зеленого диска галактики, где собственно и происходит процесс образования новых звезд. Что-то "другое" должно помогать газу в его пути к "пищеварительной" системе Млечного Пути. Астрономы из австралийского Государственного управления научных прикладных исследований полагают, что они смогли найти ответ на этот давний вопрос...
    Ученые провели длительное исследование большого газового облака, которое попадает в нашу галактику – Млечный Путь – Облако Смит. Названо оно было в честь женщины, которая его открыла. Астрономы из Австралии смогли обнаружить, что облако имеет собственное магнитное поле. Данное поле довольно слабое, показатель его мощи не превышает 0,002 процента от магнитного поля нашей планеты. Однако астрономы полагают, что данной силы вполне будет достаточно для того, чтобы облако могло сохранить свою целостность, и таким образом могло доставить свои "припасы" топлива в галактический диск». (28 ноября 2013, 12:14).

В настоящий момент Облако Смит приближается к нашей галактике. Оно оставит россыпь ярких новых звезд и вновь улетит в межгалактическое пространство

    «Облако Смит является гигантским газовым облаком, в миллионы раз превышающее по массе наше Солнце, мчащимся в сторону Млечного Пути. Газовое облако состоит по большей части из водорода, имеет протяжность 11000 световых лет и ширину 2500 световых лет. Это соизмеримо с размерами карликовой галактики. Расчет траектории этого объекта показал, что приблизительно 70 млн лет назад он уже проходил сквозь диск нашей Галактики. Следующее прохождение сквозь диск Млечного Пути, которое ожидается через 30 млн лет, скорее всего станет для облака последним. Облако находится на расстоянии 8000 световых лет от Млечного пути и приближается к нашей Галактике со скоростью 240 километров в секунду. Если бы это облако было видимым для невооруженного глаза, то оно протягивалось бы на 10-12 градусов в небе. Объект был назван Облако Смит в честь Гейл Смит (Gail Smith), сейчас Гейл Бигер (Gail Bieger), которая открыла его 45 лет назад, когда была студентом и изучала астрономию». (Материал из Википедии — свободной энциклопедии).

    Перемычки приходят с возрастом

    «Перемычка, свойственная большинству спиральных галактик, — явление не преходящее, а приходящее, ранее отсутствовавшее почти во всех галактиках и лишь в последние пару миллиардов лет ставшее общей чертой двух третей «спиральников».
    Том Мелвин (Tom Melvin) из Портсмутского университета (Великобритания) и его сотрудники на большом статистическом материале подтвердили, что перемычки появляются у спиральных галактик по мере роста их возраста и массы, то есть в грядущем они будут у всех галактик вроде нашей.

Спиральная галактика с перемычкой NGC 1300 в созвездии Эридан, отстоящая от нас на 61 млн световых лет (иллюстрация HST / NASA / ESA)

    Спиральных галактик, как вы помните, довольно много, и примерно две трети из них, как и наш Млечный Путь, имеют перемычку - «полосу» ярких звёзд, выходящую из центра и пересекающую галактику посередине. Если в обычной спиральной галактике её ветви выходят непосредственно из ядра, то в «перемычечных» начинаются на концах перемычек.

    По существующим гипотезам, перемычки являются очагами звездообразования, возникающими из-за орбитального резонанса, при пропускании сквозь себя газа из спиральных ветвей. При этом, по идее, они должны быть преходящи и со временем разрушаться, после чего исходная галактика превращается из спиральной с перемычкой обратно в обычную спиральную. 
    Используя данные волонтёрского интернет-проекта Galaxy Zoo, классифицирующего типы галактик по изображениям, которые получены в проекте Слоановского цифрового обзора неба, астрономы установили, что в целом история наблюдаемых спиральных галактик отклоняется от такого сценария.
    В самом деле, если для галактик, свет от которых шёл до наших телескопов 8 млрд лет, доля «перемычечных» среди спиральных была равна каким-то 11%, то уже 2,5 млрд лет тому назад она удвоилась, а за последующее до современности время выросла до 66%, то есть ещё утроилась. Чем вызвано столь активное появление перемычек со статистической точки зрения, понять довольно легко: чем массивнее наблюдавшаяся галактика, тем выше для неё вероятность обзавестись перемычкой. А поскольку с возрастом галактики часто сталкиваются, увеличивая свою массу, рост доли имеющих перемычку вроде бы не должен удивлять.

Со взрослением галактик (z, красное смещение) частота появления у них перемычек растёт. (Иллюстрация Tom Melvin et al.)

    С другой стороны, появление перемычки оказалось для галактики не только признаком зрелости, но и до некоторой степени знаком снижения плодовитости: они «отключают» образование новых звёзд, отбирая для перемычки газ, из которого могли бы сформироваться новые звёзды в диске.

    Всё это означает, что перемычка может быть не сколько переходным этапом в жизни зрелой спиральной галактики, сколько возрастным признаком, склонным к появлению во всё большем числе галактик этого типа.
    Отчёт об исследовании вскоре появится в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, а его препринт доступен на сайте arXiv. Подготовлено по материалам Королевского астрономического общества». (17 января 2014 года, 14:06). 

    «Галактическая сага». Часть 6. «Тайна рождения карликовых галактик». http://artefact-2007.blogspot.ru/2014/06/6.html .