Долгое время было сложно определить, насколько далеко простирается диск Млечного Пути; он не заканчивается резко, скорее его края постепенно истончаются и исчезают. И вот, впервые международная группа астрономов определила край звёздообразующего диска нашей Галактики, изучив возраст звёзд, и выявила, что основная часть звездообразования в Млечном Пути происходит в пределах 40 000 световых лет от галактического центра.
Исследователи использовали новый подход, сочетающий анализ возрастов ярких гигантских звёзд с передовыми компьютерными симуляциями эволюции галактик. Этот метод выявил «U-образную» картину распределения возрастов звёзд, которая точно определяет границу звёздообразующих областей Млечного Пути.
Исследование, опубликованное в журнале Astronomy & Astrophysics, было проведено под руководством доктора Карла Фитени (Центр астрофизики озера Комо, Университет Инсубрии) в рамках его докторской диссертации в Мальтийском университете под руководством профессора Джозефа Каруаны (Мальтийский университет) и профессора Виктора П. Дебаттиста (Университет Ланкашира). Работа была выполнена совместно учреждениями Мальты, Великобритании, Италии, Китая, Швейцарии, США, Бразилии и Чили.
«Размеры звёздообразующего диска Млечного Пути долгое время оставались открытым вопросом в галактической археологии; благодаря картированию изменений возраста звёзд по всему диску мы теперь получили чёткий количественный ответ», — отметил ведущий автор статьи, доктор Карл Фитени, в настоящее время работающий в Университете Инсубрии.
Формирование изнутри наружу
Галактики не образуют звёзды равномерно по всему диску. Вместо этого они формируются от центра наружу. Звёздообразование в галактиках начиналось в плотных центральных областях и постепенно распространялось наружу в течение миллиардов лет — процесс, который астрономы называют «ростом изнутри наружу». Это означает, что в целом звёзды тем моложе, чем дальше они находятся от центра, поскольку внешний диск — это место, куда звёздообразование дошло лишь недавно.
Исследование показало, что в Млечном Пути средний возраст звёзд действительно уменьшается по мере удаления от центра, что вполне соответствует прогнозам модели роста «изнутри наружу». Однако на расстоянии примерно 35 000–40 000 световых лет от центра Галактики эта тенденция меняется на противоположную: с увеличением расстояния звёзды вновь становятся старше. Этот разворот формирует характерный «U-образный» профиль возраста. Сравнивая эту особенность с современными симуляциями галактик, команда показала, что минимум возраста знаменует резкое падение эффективности звёздообразования, подтверждая его как истинную границу звёздообразующего диска Млечного Пути. «Имеющиеся в настоящее время данные позволяют использовать всё более точные оценки возраста звёзд в качестве мощных инструментов для расшифровки истории Млечного Пути, открывая новую эру открытий о нашей родной Галактике», — прокомментировал профессор Джозеф Каруана, соавтор и руководитель проекта из Мальтийского университета.
Откуда за границей звёздообразования берутся звёзды?
Если звёздообразование резко спадает на этой границе, почему за ней вообще есть звёзды? Ответ кроется в процессе, называемом «радиальной миграцией»: звёзды постепенно дрейфуют наружу от места своего рождения, «катаясь» на спиральных волнах, пронизывающих Галактику. Подобно тому, как сёрферы ловят волны, несущие их к берегу, звёзды могут «кататься» на спиральных рукавах, постепенно удаляясь от мест своего рождения.
За пределы этой границы звёзды попадают в основном в результате миграции наружу от места своего образования. Поскольку миграция — это медленный и хаотичный процесс, в ходе которого звёзды в разное время попадают в разные спиральные волны, для достижения всё больших расстояний за пределами радиуса, где заканчивается звёздообразование, звёздам требуется всё больше времени. Это и объясняет наблюдаемую закономерность, согласно которой самые удалённые звёзды, находящиеся за пределами возрастного минимума, являются самыми старыми.
Важно отметить, что эти звёзды движутся по почти круговым орбитам, что исключает возможность того, что они были выброшены на большие радиусы в результате столкновения с другой галактикой. Их присутствие во внешнем диске является результатом медленного и накопительного процесса, происходящего вследствие исключительно внутренней динамики Галактики. Профессор Виктор П. Дебаттиста, соавтор и соруководитель исследования в Университете Ланкашира, пояснил: «Ключевым моментом в отношении звёзд во внешнем диске является то, что они находятся на почти круговых орбитах, а это означает, что они должны были сформироваться в диске. Эти звёзды не вывела из центра, например, падавшая галактика-спутник».
Звёзды, родившиеся во внутреннем диске, взаимодействуют со спиральными рукавами на протяжении всей своей жизни. Эти повторяющиеся гравитационные столкновения постепенно выталкивают их наружу, заставляя мигрировать в области внешнего диска за пределами границы звёздообразования (~12 кпк). Этот процесс помогает объяснить, почему в самом внешнем диске Галактики преобладают более старые звёзды, хотя они там и не родились.
Картирование границы
Команда проанализировала более 100 000 гигантских звёзд, используя данные спектроскопических обзоров LAMOST и APOGEE в сочетании с точными измерениями спутника «Гайя» — амбициозной программы по картографированию звёзд Млечного Пути. Сосредоточив внимание на звёздах, вращающихся в основном диске Галактики, исследователи сумели отделить сигнал роста «изнутри наружу» от других галактических процессов.
Профессор Лоран Эйер, соавтор из Женевского университета, отметил: «„Гайя“ оправдывает ожидания: благодаря объединению данных с наземной спектроскопией и моделированием галактик она позволяет нам расшифровать историю формирования нашей Галактики». Чтобы подтвердить, что U-образная кривая обозначает истинный предел эффективного звёздообразования, исследователи использовали современные модели галактик. Эти модели показали, что минимальный возраст совпадает с резким падением эффективности звёздообразования, демонстрируя, что наблюдаемая картина требует миграции более старых звёзд наружу.
«В астрофизике мы используем симуляции, запускаемые на суперкомпьютерах, чтобы идентифицировать физические механизмы, ответственные за особенности, которые мы наблюдаем в галактиках», — пояснил соавтор доктор Жоао А. С. Амаранте из Шанхайского университета Цзяо Тун. Он добавил, что в данном исследовании «они позволили нам продемонстрировать, как миграция звёзд формирует возрастной профиль диска, и определить, где заканчивается область звёздообразования».
Почему большая часть звёздообразования прекращается именно на этом радиусе от центра Галактики, остаётся неясным. Основными подозреваемыми являются центральная перемычка (бар) Млечного Пути, гравитационное воздействие которой может приводить к скоплению газа на определённом радиусе, либо внешний изгиб Галактики, где диск искривляется и, возможно, препятствует звёздообразованию. Хотя точный механизм пока неизвестен, исследование подтверждает, что U-образный возрастной профиль является явным признаком чётко очерченной границы звёздообразования в Млечном Пути.
Взгляд в будущее
Поскольку обзоры нового поколения, такие как 4MOST и WEAVE, предоставят ещё более подробные данные, астрономы смогут уточнить эти измерения и, возможно, определить, какие физические процессы ответственны за определение границы звёздообразующего диска нашей Галактики. Исследование также демонстрирует, как возраст звёзд, который когда-то было трудно измерить с высокой точностью, стал мощным инструментом для галактической археологии, позволяя астрономам проследить, как Млечный Путь формировался и развивался на протяжении миллиардов лет.