Млечный Путь имеет необычный, но не уникальный химический состав

Является ли наша родная галактика особенной, или она такая же, как и все остальные? Этим вопросом задавались многочисленные исследовательские группы по всему миру на протяжении десятилетий, по крайней мере, с тех пор, как сто лет назад человечество обнаружило, что существуют миллиарды галактик. Недавнее исследование, проведенное учеными из Института астрономии Макса Планка, теперь раскрывает ответ или, по крайней мере, его часть. Если говорить о химическом составе, то Млечный Путь необычен, но он не уникален.

Изучать Млечный Путь нелегко. Мы видим другие галактики со стороны, можем их анализировать, узнаем их форму и электромагнитный спектр. Однако для нашей собственной мы вынуждены смотреть на все в перспективе. Несмотря на это, за последние десять лет или около того был достигнут огромный прогресс в систематическом изучении нашей родной галактики.

В настоящее время Млечный Путь является единственной спиральной галактикой, в которой мы можем непосредственно провести крупномасштабное исследование отдельных звезд. То есть, измерить их положение в пределах нашей галактики и, через их спектры, содержание металлов, температуру поверхности и другие физические данные. Поэтому ученые MPIA решили ответить на довольно своеобразный вопрос: как далекий инопланетный астроном мог бы увидеть, что обилие металлов меняется в зависимости от расстояния от центра нашей галактики? Другими словами, понять химический состав Млечного Пути по данным всех (до сих пор известных) звезд, которые его составляют.

Металличность Млечного Пути

Отправной точкой для этой амбициозной реконструкции стали данные обзора APOGEE, одного из крупнейших обзоров нашего неба, когда-либо проводившихся. Впоследствии необходимо было учесть тот факт, что с Земли в некоторых направлениях между нами и более далекими звездами будет больше пыли, которая приглушает звездный свет и скрывает некоторые более слабые звезды. В других направлениях, напротив, пыли будет гораздо меньше. Поэтому данные наблюдений необходимо объединить с тем, что мы знаем о космической пыли и свойствах звезд, чтобы реконструировать реальное трехмерное распределение звезд.

Полученные результаты оказались весьма неожиданными. Содержание металлических элементов (тяжелее гелия) в звездах, т.е. их металличность, увеличивается от центра Галактики наружу. На расстоянии около 23 000 световых лет от центра оно достигает значения, аналогичного нашему Солнцу. На еще большем расстоянии среднее содержание металлов снова падает и составляет около одной трети от солнечного значения на расстоянии около 50 тысяч световых лет от центра.

Наблюдая отдельно за более молодыми и более старыми звездами, ученые обнаружили, что каждая возрастная группа имеет более высокую металличность вблизи галактического центра и более низкую по мере удаления от него. Увеличение и максимум общего распределения объясняется тем, что более старые звезды (более бедные металлами) в изобилии встречаются вблизи галактического центра и тем самым снижают общий средний показатель, в то время как более молодые звезды чаще встречаются вдали от центра.

Сравнение с другими галактиками

Команда сравнила этот интересный результат со свойствами других галактик. Они рассмотрели 321 галактику из обзора MaNGA, все с массами, схожими с Млечным Путем. Они производят аналогичное количество звезд и все видны спереди, поэтому можно было измерить изменение средней металличности. Затем исследователи использовали те же критерии для выявления 134 галактик, похожих на нашу, во Вселенной, смоделированной симуляцией TNG50.

Результаты показали, что только 11% галактик в выборке TNG50 и около 1% галактик в выборке MaNGA демонстрировали схожую тенденцию изменения металличности. Расхождение между 11% и 1%, вероятно, объясняется сочетанием неопределенностей в данных MaNGA и ограниченностью реалистичных симуляций в модельной Вселенной TNG50. Кроме того, во внешних регионах снижение средней металличности с увеличением расстояния от центра довольно резко для Млечного Пути по сравнению с галактиками MaNGA и TNG50. Мария Бергеманн из MPIA заявила:

"Это первый раз, когда мы можем значимо сравнить детальное химическое содержание нашей Галактики с измерениями многих других галактик. В будущих исследованиях будут использоваться данные из предстоящих крупномасштабных программ наблюдений за Млечным Путем или отдаленными галактиками. Наше исследование показывает, как объединить эти два набора данных".

Итак, Млечный Путь действительно обладает необычными свойствами. Даже внеземные астрономы, имеющие в своем распоряжении наши собственные галактические данные, могли бы сделать вывод об этом довольно легко, или так думают ученые. Но в действительности существует несколько способов объяснить относительную нехватку богатых металлами звезд вблизи галактического центра.

Эта особенность может быть связана с формированием так называемой выпуклости, примерно сферической области, состоящей из более старых звезд, которая окружает галактический центр на расстоянии около 5000 световых лет. Формирование выпуклости должно было израсходовать большую часть доступного газообразного водорода, что значительно затруднило последующее звездообразование.

В качестве альтернативы, нехватка может быть связана с активной фазой, когда центральная сверхмассивная черная дыра нашей галактики извергала частицы и излучение из своей непосредственной близости, препятствуя звездообразованию.

Металличность во внешних регионах, с другой стороны, может быть объяснена несколькими сценариями, которые объединяют эволюцию газа внутри Млечного Пути с историей звездообразования на его диске. Несомненно то, что мы по-прежнему знаем очень мало, и только благодаря таким исследованиям, как это, мы сможем узнать все больше и больше о галактике, в которой мы живем.