Благодаря архивам космического телескопа «Хаббл» международная группа астрофизиков смогла установить неопровержимые доказательства масштабного столкновения, которое произошло с Млечным Путем за первые два миллиарда лет его существования.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Astronomy, сдвигают известные данные о крупных слияниях нашей галактики на 1,8 миллиарда лет и показывают, что первоначальный рост звездного диска не был внутренним процессом, а в значительной степени подпитывался остатками карликовой галактики, названной LKH, что является аббревиатурой от Low-energy-Kraken-Heracles (Низкоэнергетический Кракен-Геракл).
Современная Млечный Путь, величественная спиральная галактика, вмещающая сотни миллиардов звёзд, не всегда обладала таким величием. Её масса увеличивалась на протяжении тысячелетий благодаря двум механизмам: образованию новых звёзд из межзвёздного газа и захвату звёзд, тёмной материи и газовых облаков из других меньших галактик, которые приблизились достаточно близко, чтобы быть разорванными и поглощенными.
Астрономам уже были известны два крупных эпизода космического каннибализма, произошедших сравнительно недавно. Ближайший, продолжающийся до сих пор, — это поглощение карликовой галактики Стрельца, начавшееся более шести миллиардов лет назад. Второй, гораздо более древний, произошёл около десяти миллиардов лет назад в результате так называемого слияния Гайя-Сосиска-Энцелад , которое сильно деформировало структуру диска нашей галактики. Между этими двумя событиями произошли и другие, менее масштабные столкновения.
Однако теоретические модели и некоторые компьютерные симуляции давно предполагали, что до этих двух событий должно было произойти столкновение, хотя конкретные детали — его дата, масса и происхождение остатков — были предметом ожесточенных дискуссий.
Новое исследование, проведенное под руководством Давиде Массари из Астрофизической и космической обсерватории в Болонье (Италия), положило конец этой неопределенности, проанализировав с беспрецедентной точностью набор из 39 шаровых скоплений, расположенных во внутренних областях Млечного пути, в радиусе 20 000 световых лет от центра галактики.
Как объясняют авторы, эта область действует как космический археологический объект, где должны сохраниться следы самых ранних слияний, поскольку приливные силы и динамические колебания имели меньше времени, чтобы их стереть.
Шаровые скопления — это сферические плотные группы, содержащие от десятков тысяч до нескольких миллионов звёзд, и относятся к числу старейших объектов в галактике. Их полезность как «живых ископаемых» заключается в том, что когда карликовая галактика поглощается, некоторые из её скоплений могут пережить этот процесс и включиться в гало родительской галактики, сохраняя химические свойства и возраст места своего происхождения.
Команда Массари использовала разрешение и чувствительность телескопа «Хаббл» для измерения с беспрецедентной детализацией двух ключевых параметров в каждом из этих 39 скоплений: абсолютного возраста и металличности, то есть количества элементов тяжелее гелия. Это измерение в сочетании с высокоточными астрометрическими данными, предоставленными миссией Gaia Европейского космического агентства (ESA), позволило исследователям разделить звездные популяции в соответствии с их происхождением.
Результат оказался весьма показательным. В дополнение к скоплениям, образовавшимся в ранней Млечном Пути, и тем, которые появились в результате слияния галактик Гея-Сосиска-Энцелад десять миллиардов лет назад, во внутренней части галактики появилось третье семейство шаровых скоплений.
Третья популяция показала промежуточный возраст: они были старше, чем скопления, образовавшиеся в результате слияния Гайи, Сосиски и Энцелада, но моложе, чем скопления, возникшие в самом Млечном пути, и эта разница в возрасте сохранялась независимо от их металличности.
Авторы утверждают, что единственное правдоподобное объяснение заключается в том, что эти скопления принадлежали другой карликовой галактике, которая была поглощена в более раннем и отдельном эпизоде. Датировка показывает, что это событие произошло приблизительно 11,8 миллиарда лет назад, всего через два миллиарда лет после Большого взрыва, что представляет собой скачок на 1,8 миллиарда лет в известной хронологии крупных слияний галактик в Млечном пути.
Звездная масса этой карликовой галактики, которую они назвали LKH, оценивается примерно в 500 миллионов раз больше массы Солнца. Хотя это может показаться скромным по сравнению с нынешней общей массой Млечного пути, в ту далёкую эпоху наша галактика была намного меньше и компактнее, поэтому эта доля составляла значительную часть её общей массы.
Включение такого количества звёзд и, предположительно, связанной с ними тёмной материи, должно было существенно изменить гравитационный потенциал и кинематику первичной системы, повлияв на формирование первых структур диска и гало.
Исследователи назвали карликовую галактику LKH в честь трех предыдущих работ, в которых на основе теоретических аргументов предполагалось существование раннего слияния в истории Млечного Пути; аббревиатура объединяет инициалы терминов «низкоэнергетический», «кракен» и «геракл» в связи с этими публикациями.
Давиде Массари, соавтор работы, подчеркивает значимость открытия с точки зрения понимания происхождения нашей галактики: «Наш дом — это Млечный Путь, но мы не знали, как он был построен. В этой статье мы выясняем, откуда взялась первая крупная партия строительных блоков: из карликовой галактики, которую мы называем LKH».
Его коллега Кьяра Зербинати, также из Болонского университета и соавтор исследования, подробно описывает решающую роль Хаббла в этом прорыве: «Благодаря высокому разрешению и глубоким изображениям Хаббла мы смогли измерить возраст и металличность этих скоплений с беспрецедентной точностью. Объединив эти данные с измерениями Gaia, стало возможным выделить популяцию шаровых скоплений, отличающихся от других. Это скопления, которые образовались в LKH и позволяют нам узнать, когда эта галактика была поглощена и какова была ее масса».
Наиболее глубокий смысл этого открытия заключается в том, что оно переосмысливает стандартную версию ранней эволюции Млечного Пути. До сих пор некоторые модели утверждали, что на начальных этапах развития нашей галактики преобладали звезды, родившиеся исключительно внутри нее, с незначительным внешним вкладом.
Массари отмечает, что этот подход сейчас устарел: в некоторых прошлых исследованиях утверждалось, что ранние этапы эволюции нашей галактики определялись звездами, родившимися только в нашей галактике. Здесь мы показали, что необходимо также учитывать звезды, родившиеся во внешних галактиках.
Слияние с LKH, ввиду его древности и задействованной массы, должно было быть одним из событий, сформировавших первоначальный гравитационный потенциал и способствовавших или препятствовавших формированию первых структур, таких как балдж или толстый диск.
Команда планирует распространить этот анализ на другие шаровые скопления, которые наблюдал телескоп Хаббл и которые еще не были изучены с такой степенью детализации. Фернандо Агуадо-Агелет, соавтор из Университета Виго и Университета Ла-Лагуны (Испания), объясняет, что цель состоит в том, чтобы завершить перепись всех крупных слияний, которые Млечный Путь пережил за свою космическую историю, установив точную хронологию для каждого из них и оценив массы поглощенных галактик.
Синергетическое сочетание телескопа «Хаббл», обеспечивающего глубокие фотометрические данные и угловое разрешение, необходимые для различения отдельных звезд в плотных скоплениях, и телескопа «Гайя», предоставляющего информацию о положениях и собственных движениях с миллиметровой точностью, превращает историю нашей галактики в почти криминалистическую дисциплину.
Космический телескоп «Хаббл», работающий уже более тридцати лет, продолжает вносить существенный вклад в разгадку тайны формирования галактик. Проект, являющийся результатом сотрудничества НАСА и ЕКА, управляется из Центра космических полетов имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, а научные операции осуществляет Институт космических телескопов в Балтиморе, управляемый Ассоциацией университетов по исследованиям в астрономии.
Новые данные о шаровых скоплениях во внутренней части Млечного пути открывают путь к пересмотру последовательности событий, превративших скопление звезд и газа в известную нам спиральную галактику, и демонстрируют, что даже в первые два миллиарда лет своего существования наша галактика была динамичным, хищным образованием, постоянно растущим за счет своих меньших соседей.
