Используя данные миссии ESA Gaia, астрономы показали, что часть Млечного Пути, известная как «толстый диск», начала формироваться 13 миллиардов лет назад, примерно на 2 миллиарда лет раньше, чем ожидалось, и всего через 0,8 миллиарда лет после Большого взрыва.

Этот удивительный результат получен в результате анализа, проведенного Маошен Сяном и Хансом-Вальтером Риксом из Института астрономии Макса Планка, Гейдельберг, Германия. Они взяли данные о яркости и позиционировании из набора данных Gaia Early Data Release 3 (EDR3) и объединили их с измерениями химического состава звезд, полученными по данным Китайского многообъектного оптоволоконного телескопа большой области неба (LAMOST) примерно за 250 000 лет. звезды, чтобы определить их возраст.

Они решили посмотреть на субгигантские звезды. В этих звездах энергия перестала генерироваться в ядре звезды и переместилась в оболочку вокруг ядра. Сама звезда превращается в красную гигантскую звезду. Поскольку субгигантская фаза является относительно короткой эволюционной фазой в жизни звезды, она позволяет определить ее возраст с большой точностью, но это все еще сложный расчет.

Сколько лет звездам?

Возраст звезды — один из самых сложных для определения параметров. Его нельзя измерить напрямую, но его необходимо вывести, сравнив характеристики звезды с компьютерными моделями звездной эволюции. Композиционные данные помогают в этом. Вселенная родилась почти исключительно из водорода и гелия. Другие химические элементы , известные астрономам под общим названием металлы, производятся внутри звезд и выбрасываются обратно в космос в конце жизни звезды, где они могут быть включены в следующее поколение звезд. Таким образом, более старые звезды содержат меньше металлов и, как говорят, имеют более низкую металличность.

Данные LAMOST дают металличность. Вместе яркость и металличность позволяют астрономам определить возраст звезды из компьютерных моделей. До Gaia астрономы обычно работали с неопределенностью 20-40 процентов, что могло привести к тому, что определенный возраст был неточным на миллиард лет или более.

Выпуск данных Gaia EDR3 меняет это. «С данными о яркости Gaia мы можем определить возраст субгигантской звезды с точностью до нескольких процентов», — говорит Маошэн. Вооружившись точным возрастом четверти миллиона субгигантов, разбросанных по галактике, Маошэн и Ханс-Вальтер приступили к анализу.

Анатомия Млечного Пути

Наша галактика состоит из разных компонентов. В целом их можно разделить на гало и диск. Гало — это сферическая область, окружающая диск, и традиционно считается старейшим компонентом галактики. Диск состоит из двух частей: тонкого диска и толстого диска. Тонкий диск содержит большинство звезд, которые мы видим как туманную светящуюся полосу на ночном небе, которую мы называем Млечным Путем. Толстый диск более чем в два раза превышает высоту тонкого диска, но меньше по радиусу и содержит лишь несколько процентов звезд Млечного Пути в окрестностях Солнца.

Идентифицируя субгигантские звезды в этих разных регионах, исследователи смогли построить временную шкалу формирования Млечного Пути, и именно тогда они получили сюрприз.

Две фазы в истории Млечного Пути

Звездные века ясно показали, что формирование Млечного Пути проходило в две отдельные фазы. На первом этапе, начавшемся всего через 0,8 миллиарда лет после Большого взрыва, толстый диск начал формировать звезды. Внутренние части гало, возможно, также начали собираться на этом этапе, но процесс быстро ускорился и завершился примерно через два миллиарда лет, когда карликовая галактика, известная как Гайя-Колбаса-Энцелад, слилась с Млечным Путем. Он заполнил ореол звездами и, как ясно показано в новой работе, заставил зарождающийся толстый диск сформировать большинство своих звезд. Тонкий диск звезд, удерживающий Солнце, образовался в ходе последующей, второй фазы формирования галактики.

Анализ также показывает, что после вспышки звездообразования, вызванной слиянием с Геей-Колбасой-Энцеладом, толстый диск продолжал формировать звезды, пока газ не был израсходован примерно через 6 миллиардов лет после Большого взрыва. За это время металличность толстого диска выросла более чем в 10 раз. Но примечательно то, что исследователи видят очень тесную связь между возрастом звезды и металличностью, что указывает на то, что в течение всего этого периода газ, образующий звезды , был хорошо перемешан . по всему диску. Это означает, что области диска раннего Млечного Пути должны были быть сформированы из сильно турбулентного газа, который эффективно распространял металлы повсюду.

Хронология благодаря Gaia

Более ранний возраст образования толстого диска указывает на иную картину ранней истории нашей галактики. «С момента открытия древнего слияния с Гайей-Колбасой-Энцеладом в 2018 году астрономы подозревали, что Млечный Путь уже существовал до того, как сформировалось гало, но у нас не было четкого представления о том, как выглядел этот Млечный Путь. Наши результаты предоставляют подробные сведения об этой части Млечного Пути, такие как ее день рождения, скорость звездообразования и история обогащения металлами. Объединение этих открытий с использованием данных Gaia революционизирует наше представление о том, когда и как была сформирована наша галактика». — говорит Маошэн.

И мы, возможно, еще не заглядываем во Вселенную достаточно далеко, чтобы увидеть формирование подобных галактических дисков. Возраст в 13 миллиардов лет соответствует красному смещению 7, где красное смещение является мерой того, насколько далеко находится небесный объект, и, следовательно, сколько времени потребовалось его свету, чтобы пересечь пространство и достичь нас.

Новые наблюдения могут появиться в ближайшем будущем, поскольку космический телескоп Джеймса Уэбба был оптимизирован для наблюдения за самыми ранними галактиками, подобными Млечному Пути, во Вселенной. А 13 июня этого года Gaia выпустит свой третий полный выпуск данных (Gaia DR3). Этот каталог будет включать спектры и производную информацию, такую ​​как возраст и металличность, что еще больше упростит проведение таких исследований, как Maosheng.

«С каждым новым анализом и выпуском данных Gaia позволяет нам собрать воедино историю нашей галактики с еще более беспрецедентными подробностями. С выпуском Gaia DR3 в июне астрономы смогут обогатить историю еще большим количеством деталей», — говорится в сообщении. Тимо Прусти, научный сотрудник проекта Gaia в ЕКА.

Исследование было опубликовано в Nature.