Сонце — одна з понад мільярд зірок Чумацького Шляху. Розташування всередині Галактики дає астрономам унікальну можливість вивчати окремі деталі сусідніх зірок і планетарних систем з високою точністю, але отримати уявлення про те, наскільки Чумацький Шлях схожий на інші галактики Всесвіту, не просто. Дослідження показало, що його хімічний склад, видимий з далеких світів незвичайний, але не унікальний.
Уявлення астрономів про різноманіття систем у Всесвіті будуються на численних спостереженнях за галактиками, видимими з Землі. У міру розвитку і посилення можливостей телескопів кількість об’єктів, доступних для спостереження, безперервно зростає. Деякі з них розташовані близько і видно у всіх подробицях, інші — дотепер виглядають як яскрава точка або кілька пікселів на зображенні, як далекі галактики раннього Всесвіту.
Астрономи можуть спостерігати за галактиками з різних сторін (одну видно з ребра, іншу — під кутом, у третіх площина диска розташована перпендикулярно стосовно Землі) і поступово реконструювати їх форми. Друга важлива можливість — спектральний аналіз випромінюваного світла, який дозволяє визначити хімічний склад зірок, міжзоряного газу і пилу, які формують далекі системи.
Але нашу Галактику нанести на карту досить складно: Щоб подивитися на те, як вона виглядає для далеких астрономів потрібно було б піднятися над площиною галактичного диска, в якій розташовано Сонце на відстань в кілька десятків тисяч світлових років. Щоб побудувати карту Чумацького Шляху, астрономам доводиться «боротися» з величезним обсягом газу і пилу, які блокують і розсіюють світло від різних об’єктів.
В результаті всі існуючі карти, виявляються розпливчастими і містять численні допущення. Міжнародна група астрономів під керівництвом дослідників з німецького Інституту астрономії Товариства Макса Планка вивчила і нанесла на карту поширення металів (так в астрономії називають всі елементи важче водню і гелію), щоб зрозуміти, яким Чумацький Шлях виглядає для астрономів, розташованих далеко за межами нашої Галактики.
Хімічний склад зірок і міжзоряного газу
Водень і гелій, два перших елементи у Всесвіті, з’явилися всього через кілька хвилин після Великого вибуху. Всі інші елементи сформувалися набагато пізніше в результаті ядерних реакцій всередині зірок і процесів, пов’язаних з еволюцією зірок.
Найбільш поширені елементи, такі як вуглець і азот, утворюються в ядрах більшості зірок шляхом злиття більш легких елементів, таких як водень і гелій. Більш важкі елементи, такі як залізо, утворюються тільки в масивних зірках, які закінчують своє життя вибухами наднових. Екстремальні умови вибухів призводять до формування третіх елементів, які виникали всередині зірок тільки в невеликих кількостях.
Розподіл важких елементів всередині галактики містить важливу інформацію про історію її еволюції і події далекого минулого. Крім того, є загальна тенденція — концентрація металів в міжзоряному середовищі збільшується з плином часу. Зірки, які народилися раніше, містять менше металів, зірки, що народилися пізніше, — більше. Аналіз хімічного складу зірок в різних областях дозволяє визначити, які з них сформувалися раніше, а які — пізніше.
Походження хімічних елементів у Всесвіті. Зображення: Ashley Balzer (ADNET), Scott Wiessinger (KBRwyle) , NASA
Як дослідники картографували Чумацький Шлях?
За останні десятиліття дослідники склали кілька великомасштабних оглядів зірок, які аналізують окремі особливості зірок Чумацького Шляху. У своїй роботі астрономи використовували дані огляду Apogee — великомасштабного дослідження, в результаті якого на основі спектра випромінювання були отримані дані про хімічний склад і рух більше 100 тис. зірок Галактики. Ці дані були суміщені з результатами огляду космічного супутника Gaia, який відстежує місце розташування і яскравість понад 1,5 млрд зірок Чумацького Шляху і безлічі інших об’єктів.
Із Землі і навіть з орбітальних телескопів астрономи бачать «нечіткий» вид Чумацького Шляху: в деяких напрямках велика кількість пилу послаблює світло зірок і приховує деякі з них. Дослідники використовували моделювання, щоб врахувати властивості пилу, прибрати спотворення і отримати реальний розподіл зірок в нашій галактиці.
Щоб об’єднати розрізнені дані, дослідники використовували комп’ютерну симуляцію TNG50, яка дозволяє моделювати і відстежувати формування і еволюцію Галактик на основі відомих даних. Результати моделювання астрономи порівняли зі схожими на Чумацький Шлях галактиками з огляду Manga.
Що показали результати дослідження?
Художня ілюстрація можливого вигляду Чумацького Шляху. Зображення: Stefan Payne-Wardenaar, MPIA
Результати дослідження показали нерівномірну зміну металевості всередині Чумацького Шляху. У міру віддалення від центру — надмасивної чорної діри Стрілець A* — концентрація елементів важче заліза поступово зростає. На відстані близько 23 тис. світлових років воно стає приблизно таким, яке характерно для Сонця (розташованого в 26 тис. світлових років від центру Галактики).
Дивно, але далі, у міру збільшення, відстані кількість важких елементів починає падати, скорочуючись приблизно в три рази в порівнянні з хімічним складом Сонця на відстані близько 50 тис. світлових років.
У порівнянні з оглядами інших галактик або моделюванням, розподіл металевості, що нагадує пончик — досить рідкісне. Тільки 1% досліджених галактик, що нагадують за віком і структурою Чумацький Шлях, демонструють аналогічний розподіл. У результатах комп’ютерного моделювання він вище — 11%. Різниця пов’язана з обмеженими можливостями реальних спостережень і обмеженнями при моделюванні Всесвіту.
У астрономів немає готової відповіді, з чим може бути пов’язано такий незвичайний розподіл хімічних елементів всередині Чумацького Шляху. Одна з гіпотез полягає в тому, що низька металевість в центрі Галактики пов’язана з активністю Стрільця A*, який «відштовхнув» вглиб галактики велику кількість газу, багатого важкими елементами. Окраїнна аномалія в свою чергу може бути наслідком зіткнення в минулому Чумацького Шляху з карликовою галактикою.
Чи справедливі ці гіпотези, покажуть майбутні спостереження, спрямовані на вивчення зірок Чумацького Шляху і рідкісних галактик з аналогічним розподілом хімічних елементів.