Призраки погибших галактик

Необычно движущиеся звезды могут быть остатками погибших звездных систем, съеденных нашей галактикой. Все звезды, которые мы видим на ночном небе, принадлежат Млечному Пути. Ближайшая к нам крупная галактика Туманность Андромеды находится на расстоянии более 2 млн. световых лет, что более чем в 20 раз превышает размер диска нашей галактики. Невооруженным глазом невозможно различить звезды нашей соседки, т.к. они сливаются в бледную туманность, и так далеки от нас, как будто находятся в иной вселенной. Зато звезды на нашем небосводе можно считать «коренными жителями» нашей галактики, родившимися и выросшими в Млечном Пути.

Призраки погибших галактик

Они отдали свои жизни строительству Млечного Пути. Сотни маленьких галактик были разорваны на куски нашей галактикой и превратились в разреженные потоки звезд, медленно перемешивающиеся с ее коренным населением. В наши дни Млечный Путь разрывает карликовую галактику в Стрельце, звезды которой образуют поток (желтый) вокруг галактического диска.

Но что тогда делать с Арктуром, второй по блеску звездой на северном небе? По характеру движения и химическому составу он отличается от большинства доступных наблюдению светил и своими свойствами напоминает нескольких других «белых ворон», разбросанных по галактике. Происхождение нетипичных звезд не дает астрономам покоя с 1960-х гг. Неужели гравитация спиральных рукавов галактики заставила звезды двигаться по столь причудливым орбитам? Или они переселенцы, сформировавшиеся вне Млечного Пути из вещества, которое не было частью галактики?

ОБЗОР: ЗВЕЗДНЫЕ ПОТОКИ

  • Млечный Путь образовался из сотен «строительных блоков» — карликовых галактик. Его формирование продолжается и в наши дни. Всякий раз, когда маленькая галактика или звездное скопление приближаются к нам, гравитация галактики разрывает их на части, образует звездный поток и захватывает его.
  • Даже недавно возникшие потоки трудно заметить на фоне других звезд Галактики, а со временем они и вовсе рассасываются. Но некоторые особенности движения и химического состава выдают их происхождение. Проводя тщательную перепись звезд, астрономы надеются выявить галактических переселенцев и реконструировать историю Млечного Пути.
  • Благодаря звездным потокам исследователи смогут применять новый метод для изучения загадочной темной материи, окружающей Галактику. Формы потоков чувствительны к количеству и распределению этого невидимого вещества.

Недавно ученым удалось ответить на эти вопросы — не без помощи современной техники. Разумеется, некоторые звезды, родившиеся и сформировавшиеся в галактике, могли быть вытеснены на необычные орбиты, но множество странных объектов, включая Арктур, являются подлинными переселенцами. Точнее было бы назвать их «жертвами похищения» или «порабощенными светилами», т.к. астрономы считают, что они были рождены в маленьких галактиках, которые захватил и разграбил наш Млечный Путь. За долгие годы наша галактика могла покорить сотни своих соседей. Их прежние обитатели перемешались в Млечном Пути, постепенно забывая о родном доме. Обнаружив их, наблюдатели смогут реконструировать бурную историю нашей галактики и раскрыть все ее секреты, такие как невидимая темная материя, которая и определяет ее существование.

Космические захватчики

Чтобы обнаружить звезды-переселенцы, нужен острый глаз. Они выдают себя, выстраиваясь в длинные потоки, напоминающие колонны солдат, пересекающие людную площадь. Многие из них тянутся от шаровых скоплений  или  от одной из галактик-спутников Млечного Пути, — возможно, родного дома, который покинули звезды. Но обнаружить их очень трудно, т.к. они мало чем отличаются от равномерно распределенного коренного населения нашей галактики. Поэтому в последнее время используются специальные методы фильтрации, разработанные еще в годы Второй мировой войны для опознавания изображений вражеских самолетов. Такая техника позволяет найти признаки, по которым можно выявлять звезды-переселенцы.

ЗАТЕРЯВШИЕСЯ В ТОЛПЕ

Если посмотреть на небо, звездный поток будет практически не заметен среди коренных обитателей Млечного Пути (а). Но по скорости (б) и химическому составу (в) поток заметить гораздо легче. На рисунке показана модель области неба вокруг потока Паломар 5 (прямое восхождение и склонение — координаты на небе)

ЗАТЕРЯВШИЕСЯ В ТОЛПЕ

Наверное, самым впечатляющим из найденных стал поток в Стрельце, обнаруженный одним из нас (Иба-та) в 1994 г. Он представляет собой огромное ожерелье, окружающее нашу галактику и простирающееся на миллион световых лет. Группа содержит примерно 100 млн. звезд и соединяется с эллиптической карликовой галактикой в Стрельце — одной из 15–20 мини-галактик, обращающихся вокруг Млечного Пути точно так же, как спутники движутся вокруг планет.

По размеру галактики распределяются от Большого Магелланова Облака (примерно 1/10 массы нашей галактики) до карлика в Стрельце (1/100 массы Галактики) и далее к совсем маленьким, массой в одну миллионную от массы Галактики.

Жить вблизи гигантской галактики не очень-то комфортно. Поэтому галактики-спутники постепенно деформируются и, в конце концов, разрушаются. Агония одной из них в Стрельце длилась несколько миллиардов лет, и сейчас это рыхлое тело находится на последней стадии разрушения. Ее звезды рассеиваются по Галактике. Генетическая связь между ними пока еще заметна (они движутся в виде потока), но постепенно будет потеряна, и астрономы будущего не смогут отличить их от коренных жителей Галактики. Некоторые другие малые галактики тоже разрушались и от них остались только потоки (табл. на стр. 35). В некоторых случаях, например из Большого Магелланова Облака, в основном терялись не звезды, а газ (см. Ваккер Б.и Рихтер Ф. Наша растущая Вселенная // ВМН, № 4, 2004).

Механизм разрушения хорошо известен: это влияние гравитации, та же сила, которая вызывает приливы и отливы на Земле. Приливный эффект возникает, когда различные части тела испытывают разное гравитационное влияние. Луна притягивает обращенную к ней сторону Земли сильнее, чем противоположную. Разность данных сил слишком мала, чтобы разорвать нашу планету на части, но ее достаточно для создания морских приливов. Вращение Земли относительно Луны вызывает   перемещение   приливных выпучиваний по поверхности нашей планеты, что приводит к периодическим приливам и отливам морей. Точно так же Млечный Путь, притягивая сильнее одну из сторон звездной системы, деформирует галактику-спутник. При этом некоторые звезды могут быть вообще оторваны (см. рис. внизу). Спутник теряет все больше и больше звезд, которые, как в сказке, образуют дорожку, указывающую путь к дому.

Работа продолжается

Карлик в Стрельце и другие спутники нашей галактики вносят большой вклад в ее строительство. Данный вывод, сделанный наблюдателями, сыграл большую роль в развитии теории формирования галактик. Раньше астрономы считали, что все галактики сформировались из слабых уплотнений в почти однородной юной Вселенной, а затем, еще на раннем этапе, пережили бурный рост и быстро обрели нынешнюю форму. Сегодня, отчасти основываясь на наблюдении звездных потоков, ученые считают, что только карликовые галактики (массой до миллиарда масс Солнца) прошли через фазу быстрого формирования, а такие крупные, как Млечный Путь (примерно один триллион масс Солнца), сформировались позже путем аккреции и постепенного слияния с карликовыми галактиками. Процесс продолжается и в настоящее время, хотя и не так активно, как в прошлом.

КАК РАЗРУШАЮТСЯ ГАЛАКТИКИ

Компьютерное моделирование показывает, как приливные силы Млечного Пути разрушают беспомощную карликовую галактику

КАК РАЗРУШАЮТСЯ ГАЛАКТИКИ

Уличив Млечный Путь в захвате соседних галактик, астрономы перешли к более сложным вопросам. Каков был химический состав у этих древних «галактических строительных блоков»? Какова доля переселенцев в современном населении гигантских галактик? Как химические элементы, привнесенные маленькими галактиками в Млечный Путь, изменили его историю? Помимо того, что звездные потоки интересны как «ископаемые остатки» формирования галактики, по ним можно проследить распределение темной материи (см. УВИДЕТЬ НЕВИДИМОЕ).

Чтобы найти ответы, астрономам необходимо понять не только то, какие звезды сейчас переселяются в галактику, но и какие прошли такой путь в прошлом. Трудность в том, что когда звезды и газ чужой галактики растворились в Млечном Пути, их уже не распознаешь как пространственно обособленные формирования. Астрономы должны искать как криминалисты едва заметные следы их происхождения, например, долго сохраняющиеся особенности их движения и химического состава.

Мы привыкли характеризовать движение тела его положением и скоростью. Но оно имеет и другие характеристики, такие как угловой момент и энергия. В трехмерном пространстве положение тела определяется координатами; точно так же место тела определяют по положению плюс импульсу в абстрактном шестимерном пространстве, которое называют фазовым пространством. Преимущество последнего заключается в том, что расположение звезд в нем более устойчиво, чем в реальном пространстве. Несмотря на то, что процесс ассимиляции обычно разрушает пространственную связь между звездами потока, он не может нарушить их связь в фазовом пространстве в силу базового принципа статистической механики, известного как теорема Лиувилля.

Поэтому, измеряя энергию, угловой момент и плотность в фазовом пространстве у произвольно выбранных объектов, ученые могут заметить среди них группы светил, которые не выделяются в процессе прямых наблюдений. Это «призраки» давно разрушенных спутников. Исследователи под руководством Амины Хелми (Amina Helmi) из Астрономического института Каптейна в Гронингене (Нидерланды) и Криса Брука (Chris B. Brook) из Вашингтонского университета обнаружили множество следов спутниковой аккреции. Все они расположены недалеко от Солнечной системы, т.к. приборы пока не обладают точностью, необходимой для измерения трехмерного движения далеких звезд.

Кто же «белая ворона»?

Недавно астрономы начали испытание метода под названием «химическая метка». Большинство звезд рождается не в одиночку, а группами — от нескольких тысяч до десятков тысяч светил формируются в одном родительском газовом облаке, каждое из которых обладает своим уникальным набором химических элементов и изотопов, наследуемых звездами. Даже когда звезды рассеиваются, они сохраняют свой химический состав, позволяющий астрономам проследить их историю. Как показала Ким Венн (Kim A. Venn) из университета Виктории в Британской Колумбии, звезды, рожденные в карликовых галактиках, отличается по химическому составу от тех, которые формировались в Млечном Пути.

УВИДЕТЬ НЕВИДИМОЕ

УВИДЕТЬ НЕВИДИМОЕРеконструируя историю Млечного Пути, астрономы, естественно, опирались на то, что видят, — на звезды. Но наблюдаемые светила составляют малую часть Галактики, а большая часть состоит из загадочной темной материи. то немногое, что мы о ней знаем, получено из наблюдения ее гравитационного влияния на газ и звезды, которые видны. Но как нанести на карту то, чего не видишь? Все, что нужно наблюдателю, — это проследить движение звезды по орбите вокруг галактического центра. Ее перемещение будет ускоряться и замедляться в зависимости от гравитационного поля, а значит, от распределения массы в Галактике. К сожалению, жизнь астронома слишком коротка для проведения таких наблюдений: ведь звезде требуются сотни миллионов лет, чтобы совершить один оборот по орбите.

Благодаря звездным потокам данную задачу можно решить проще. У звезд одного потока похожие орбиты, а различаются они только моментом старта. Так что положение различных светил отмечает тот путь, который одиночная звезда проходит за сотни миллионов лет. Наша группа уже определила форму потока в Стрельце и пришла к выводу, что темная материя вокруг Млечного Пути распределена не в виде эллипсоида, как предсказывало компьютерное моделирование, а в виде сферы. Любопытно, что поведение потока согласуется с прогнозом некоторых нестандартных теорий гравитации, например модифицированной теории Ньютона. Данный результат недавно подтвердил Майкл Фелхауэр (Michael Fellhauer) из Кембриджского университета. К сожалению, поток в Стрельце охватывает лишь малую часть области, занятой темной материей, поэтому необходимо исследовать и другие из них, чтобы уточнить, действительно ли темная материя распределена сферически.

Вторая задача — выяснить, распространена ли темная материя равномерно или клочкообразно. а это зависит от свойств темной материи. Если она состоит из частиц, взаимодействующих только гравитационно, то ничто не мешает им сбиваться в кучки. Но если в ее состав входят частицы, взаимодействующие иным способом, то они могут противостоять слипанию и распределяться равномерно. Наблюдения звездных потоков — один их немногих способов поиска комковатости. точно определив положение и скорость звезд в потоке, спутник Gaia должен подтвердить или опровергнуть наличие комков темной материи размером в 100 световых лет. Поэтому звездный поток размером больше галактики поможет нам узнать о свойствах частиц, размер которых меньше атома.

Гораздо труднее проследить историю отдельных светил вплоть до места их рождения. Гаянди Де Сильва (Gayandhi De Silva) с коллегами из Европейской южной обсерватории недавно провели детальный анализ их химического состава в известном скоплении нашей галактики — Гиады. Выяснилось, что здесь звезды имеют одинаковое распределение химических элементов, что подтверждает применимость метода химической метки для выявления звезд одинакового происхождения. Когда-нибудь мы найдем родных братьев и сестер Солнца — звезды, родившиеся в том же облаке, что и наше светило, но теперь разбросанные по всей Галактике.

ЗВЕЗДНЫЕ ПОТОКИ

Астрономы обнаружили менее дюжины потоков звезд. Если современные теории формирования галактик верны, то Млечный Путь поглотил сотни звездных систем, но большинство из них так перемешалось с населением Млечного Пути, что их никогда уже не найти

Поток

Возможное происхождение

Примерная масса

Примерная длина

Состав

Год открытия

Поток арктура

Погибшая карликовая галактика

Неизвестна

Неизвестна

Старые звезды (дефицит тяжелых элементов)

1971

Магелланов поток

Большое и Малое Магеллановы Облака

200 млн. масс Солнца

1 млн. св. лет

Водородный газ

1972

Поток Стрельца

Карликовая галактика в Стрельце

100 млн. масс Солнца

1 млн. св. лет

Разнообразие звезд

1994

Поток Хелми

Погибшая карликовая галактика

10–100 млн. масс Солнца

Намоталась несколькими витками вокруг диска Галактики

Старые звезды

1999

Поток Паломар 5

шаровое скопление Паломар 5

5 тыс.
масс Солнца

30 тыс. св. лет

Старые звезды

2001

Кольцо Единорога

Карликовая галактика в Большом Псе

100 млн. масс Солнца

200 тыс. св. лет

Звезды среднего возраста

2002

Поток антицентра

Погибшая карликовая галактика

Неизвестна

30 тыс. св. лет

Старые звезды

2006

Поток NGC 5466

шаровое скопление NGC 5466

10 тыс. масс Солнца

60 тыс. св. лет

Очень старые звезды

2006

уединенный поток

Карликовая галактика Б. Медведица II

100 тыс. масс Солнца

20 тыс. св. лет

Старые звезды

2006

Программы RAVE (Radial Velocity Experiment — измерение лучевых скоростей) на Англо-Австралийской обсерватории и SEGUE (Sloan Extension for Galactic Understanding and Exploration — продолжение Сло-ановской программы галактических исследований) на Слоановском телескопе позволили измерить скорость и химический состав более чем 100 тыс. ближайших звезд. Данные работы нужны для подготовки запуска обсерватории Gaia Европейского космического агентства и Космического интерферометра NASA (Space Interferometry Mission — SIM). С конца 2011 г. до 2020 г. Gaia, наиболее совершенный из когда-либо созданных космических телескопов, будет исследовать трехмерную структуру Галактики. Для этого очень точно будут измерены координаты и скорости около миллиарда звезд, которые составляют 1% от всех светил Галактики. Кроме того, предполагается провести анализ химического состава нескольких миллионов светил. А параллельно работающий SIM будет определять точное положение слабых звезд, исследуя наиболее далекие потоки. Данные проекты позволят провести глубокий обзор на небольших участках неба (SIM) и менее детальный по всему небу (Gaia).

Десять лет назад, когда мы открыли звездный поток от карликовой галактики в Стрельце, многие наши коллеги восприняли это как курьез. Но оказалось, что потоки — это главные участники запутанной истории Млечного Пути, летописи слияний и поглощений, которые, как теперь стало ясно, стимулировали развитие нашей звездной системы. Захваченные галактики дарили нам новые звезды, газ и темную материю и запускали волны звездообразования. Таким образом, переселенцы поддерживают активность нашей галактики.

Перевод: В.Г. Сурдин

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

  • The Ghost of Sagittarius and Lumps in the Halo of the Milky Way. Heidi Jo Newberg et al. in Astrophysical Journal, Vol. 569, No. 1, pages 245–274; April 1, 2002. Preprint available at arxiv.org/abs/astro-ph/0111095
  • The New Galaxy: Signatures of Its Formation. Ken Freeman and Joss Bland-Hawthorn in Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics, Vol. 40, pages 487–537; 2002. arxiv.org/abs/astro-ph/0208106
  • Uncovering Cold Dark Matter Halo Substructure with Tidal Streams. R.A. Ibata, G.F. Lewis, M.J. Irwin and T. Quinn in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 332, No. 4, pages 915–920; June 2002. arxiv.org/abs/astro-ph/0110690
  • Galactic Chemical Evolution. Brad K. Gibson, Yeshe Fenner, Agostino Renda, Daisuke Kawata and Hyun-chul Lee in Publications of the Astronomical Society of Australia, Vol. 20, No. 4, pages 401–415; 2003. arxiv.org/abs/astro-ph/0312255
  • Ефремов Ю.Н. Звездные острова. Фрязино, 2005.
  • Марочник Л.С., Сучков А.А. Галактика. М, 1984.
  • Сурдин В.Г. Динамика звездных систем. М, 2001.

16 Сентября 2011, 14:55    Oleg    6138    0

Нет комментариев.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.