После открытия бара у нашей Галактики ученые долгое время не были уверены в том, каковы его размеры. На основе данных астрометрического спутника Hipparcos была высказана гипотеза о том, что Солнечная система находится в области внешнего Линдбладовского резонанса, и из этого следовало, что радиус бара Галактики составляет около 3 килопарсек. Однако для уверенного подтверждения этой гипотезы данных было явно недостаточно. Опубликованный в прошлом году третий релиз данных астрометрического спутника Gaia, содержащий информацию о более чем 1,8 млрд звезд Млечного Пути, предоставил астрономам достаточно информации, чтобы проверить эту гипотезу. По новой оценке радиус бара нашей Галактики равен 5–6 кпк, то есть он практически в два раза длиннее, чем считалось ранее.
Как известно, основная трудность при исследовании нашей Галактики состоит в том, что мы находимся в ней самой без возможности выбраться и посмотреть на нее снаружи. Это все равно, что сидеть в лесу на бревне и пытаться судить о размерах леса, подстилающем рельефе, почвах, наличии водоемов и, наконец, о том, где конкретно мы находимся. Согласитесь, очень немного можно выяснить о лесе, не вставая с бревна. К счастью, объекты Галактики, в отличие от деревьев в лесу, светятся и видны подчас на очень больших расстояниях, да и астрономы сегодняшнего дня экипированы достаточно хорошо — не только телескопами, но и разнообразной многоволновой аппаратурой.
О том, что Млечный Путь имеет форму диска, догадался еще первооткрыватель Урана Уильям Гершель в XVIII веке. Он построил самый большой телескоп своего времени (см. 40-foot telescope) и, изучая с его помощью «туманности», обратил внимание, что среди них встречаются круглые, эллиптические и вытянутые в полосу. Гершель еще не знал, что это были другие галактики (окончательно это было установлено только в 1920-х годах благодаря работам Эдвина Хаббла), но предположил, что имеет дело с объектами, имеющими дискообразную форму (и которые видны «плашмя», под углом и сбоку, соответственно). Затем он измерил концентрацию звезд в разных местах неба и установил, что она стремительно убывает при удалении от полосы Млечного Пути. Значит, вполне вероятно, что и мы находимся внутри гигантского звездного диска и просто видим его с ребра.
В течение двух следующих столетий дело изучения строения Галактики продвигалось крайне медленно. Да, астрономы поняли, что наша звездная система дисковая и спиральная (иначе не было бы так много голубых звезд в полосе Млечного Пути), но вот сколько в ней спиральных рукавов, какого она размера, есть ли в ней какие-либо другие структуры, например бар-перемычка или кольцо, было совершенно непонятно. Чтобы судить об этом, необходимо с очень хорошей точностью знать положения, скорости и расстояния до как можно большего числа звезд. Говоря по-научному, нужно знать их шестимерные фазовые координаты (три пространственные координаты и три компоненты скорости). Но, находясь в обычной наземной обсерватории, измерить эти параметры даже для одной звездочки довольно сложно: необходимо поймать самую ясную ночь, когда воздух будет максимально чистым, и дождаться, когда телескоп охладится до температуры воздуха снаружи. При этом все равно придется учитывать, что атмосфера размоет изображение точечной звезды в пятно и истинное положение звезды может быть где угодно внутри этого пятна. Ну а чтобы измерить расстояние до звезды и ее собственное движение (собственную скорость перемещения звезды по небу — не путать с перемещением светил из-за суточного и годичного движения Земли!) придется повторять такие измерения многократно. Добавьте сюда тот факт, что многие звезды плохо видны из-за поглощения света межзвездной пылью — особенно пыль досаждает в направлении на центр Галактики, где так много всего интересного.
Но прогресс не стоит на месте. С освоением космоса главный враг астрономов — атмосфера — был наконец побежден. Еще в 1982 году с помощью наблюдений на стратосферных баллонах была впервые получена карта распределения излучения нашей Галактики в инфракрасном диапазоне, в котором межзвездная пыль прозрачна (T. Matsumoto et al., 1982. Balloon observation of the central bulge of our galaxy in near infrared radiation). Всесторонний анализ этих данных в 1991 году позволил заключить, что наша Галактика принадлежит к классу спиральных систем с баром, то есть в центре у нее имеется плотное скопление из звезд в форме перемычки, от концов которой скорее всего начинаются спиральные рукава (L. Blitz, D. Spergel, 1991. Direct Evidence for a Bar at the Galactic Center).
Наличие бара у дисковой галактики — явление рядовое, он наблюдается примерно у \(\frac23\) таких галактик (P. Eskridge, J. Frogel, 1999. What is the True Fraction of Barred Spiral Galaxies?). Бар представляет собой «трубу» или сильно вытянутый эллипсоид с циркулирующими внутри звездами, который вращается относительно всей галактики как единое целое (рис. 1). Длину большой полуоси этого эллипсоида принято называть радиусом бара, так что, чтобы узнать полную длину перемычки, нужно этот показатель умножить на 2. Возможных механизмов образования такой структуры известно несколько, а вот механизмов поддержания ее ученые пока не нашли. Вполне возможно, что бары галактик относительно короткоживущи. После нескольких оборотов вокруг центра галактики (каждый из которых длится ~200 миллионов лет) бар «рассосется» из-за случайных скоростей звезд, но затем может образоваться снова (F. Combes, 2005. Ripples in a Galactic Pond). Несмотря на это считается, что бар может быть ответственен за образование долгоживущих спиральных ветвей: своим вращением он возмущает гравитационный потенциал диска, что вызывает формирование спиральных волн сжатия в межзвездном газе, а они в свою очередь запускают процесс звездообразования (D. Gadotii, 2008. Barred Galaxies: an Observer’s Perspective). Благодаря молодым голубым звездам эти волны плотности видны как спиральные ветви галактик.
Примерно одновременно с открытием галактического бара Европейское Космическое Агентство запустило революционный космический аппарат Hipparcos, который исполнил давнюю мечту астрометристов, получив пространственные координаты и собственные движения для 2,5 миллионов звезд с беспрецедентной точностью.
На основе данных миссии Hipparcos было установлено, что среди ближайших к нам звезд, принадлежащих галактическому диску, наблюдается странное деление по скоростям (W. Dehnen, J. Binney, 1999. Local stellar kinematics from Hipparcos data). В целом они совершают медленное вращение вокруг центра Галактики, но часть звезд движется, немного отклоняясь к центру Галактики, а часть, наоборот, отклоняется от центра и движется заметно медленнее. В 2000 году Вальтер Дэнен (Walter Dehnen) предположил, что такое деление может быть обусловлено тем, что Солнце по счастливой случайности оказалось в окрестности внешнего Линдбладовского резонанса (см. Lindblad resonance), генерируемого баром Галактики (W. Dehnen, 2000. The Effect of the Outer Lindblad Resonance of the Galactic Bar on the Local Stellar Velocity Distribution).
Поясню, что это за резонанс. В любой галактике бар влияет на орбиты звезд. В простом приближении звезды в диске галактики с баром движутся не по круговым орбитам вокруг центра, а по эллипсам, большие оси которых либо параллельны бару, либо перпендикулярны ему. На некотором расстоянии от центра галактики возникают области резонансов, где происходит перестройка орбит звезд. Если на расстояниях меньше радиуса резонанса оси орбит параллельны бару, то за резонансом они меняются на перпендикулярные или наоборот. Грубо говоря, такая конфигурация для звезд оказывается наиболее энергетически выгодной. В результате на четырех азимутах относительно бара звездные потоки на различных орбитах пересекаются (рис. 4). Как считалось ранее, неподалеку от такого места и находится наше Солнце, так как именно эти два звёздных потока наблюдал Hipparcos. Зная расположение внешнего Линдбладовского резонанса, можно определить радиус самого бара — он оказался равен примерно трем килопарсекам (для сравнения: радиус всего диска Галактики оценивается в ~20 килопарсек). Так что получалось, что бар нашей Галактики совсем небольшой.
Увы, данных миссии Hipparcos было недостаточно, чтобы уверенно принять вывод о размере бара, ведь он измерил координаты и собственные движения только самых ближайших звезд (а всего их в Галактике сотни миллиардов!), а сами промеры простирались по азимуту всего на пару градусов по и против часовой стрелки относительно центра Галактики. К счастью, очень скоро после завершения этой миссии начали планировать следующую. В 2013 году был запущен астронометрический аппарат нового поколения Gaia. По состоянию на сегодняшний день команда проекта уже выпустила три каталога данных, самый обширный из которых, опубликованный в прошлом году, содержит полные шестимерные фазовые координаты для 1,8 миллиардов звезд.
На основе новых данных миссии Gaia астрономы во главе со Скоттом Луккини (Scott Lucchini) решили проверить гипотезу о том, что Солнце находится в окрестности внешнего Линдбладовского резонанса. Их результаты пока доступны в виде электронного препринта на сайте arxiv.org.
Если мы действительно наблюдаем звездные потоки вблизи резонанса, то это вышеупомянутое деление по скоростям среди звезд будет наблюдаться и на гораздо больших азимутах, чем были исследованы в ходе миссии Hipparcos. Проанализировав различными математическими методами огромный массив данных, авторы обсуждаемой статьи получили распределение звезд по скоростям на азимутах от −15° до +15° от Солнца. В результате деление звезд на две группы в районе Солнца было вновь подтверждено, но одна из них — так называемый поток Геркулеса (Hercules stream) — полностью исчезает при движении в положительном направлении вокруг центра Галактики. При движении в обратном направлении поток, наоборот, набирает силу: на азимуте −15° относительная доля звезд в нем возрастает почти в два раза (рис. 5).
Такую картину нельзя объяснить внешним Линдбладовским резонансом, но она легко получается, если предположить, что мы находимся в зоне коротации бара. Тогда поток Геркулеса — это звезды, «застрявшие» в окрестности одной из устойчивых точек Лагранжа бара L4 или L5 (рис. 6). Так как ориентация бара известна — его ось составляет примерно 20 градусов с направлением на центр Галактики, — мы знаем, что одна из точек 4 или 5 лежит не слишком далеко от нас, где-то в отрицательном направлении по азимуту. Эти точки характеризуются тем, что в них достигается максимум эффективного галактического потенциала, то есть звезды, пролетающие мимо этих точек и движущиеся медленно, будут притянуты к ним и останутся там надолго. «Застрявшие» таким образом звезды вращаются вокруг центра Галактики синхронно вместе с баром, поэтому эта зона и называется зоной коротации.
Зная расположение зоны коротации, можно вычислить радиус самого бара, что и проделали авторы. У них получилось 5,4 ± 0,5 кпк. Это почти в два раза больше, чем величина, полученная в предыдущих исследованиях, так что изображения нашей Галактики во всех учебниках астрономии придется перерисовать. Интересно, что Солнце находится в зоне коротации спирального узора Галактики, то есть движется синхронно со спиральными ветвями, и происходящие в глубине их взрывы сверхновых нашу планетную систему не затрагивают. Вполне возможно, что этот факт сыграл важную роль в развитии жизни на Земле. Теперь оказалось, что Солнце находится еще и в зоне коротации бара Галактики.
Источник: Scott Lucchini, Elena D'Onghia, J. Alfonso L. Aguerri. Constraining The Milky Way Bar Length using Hercules and Gaia DR3 // 2023. Препринт arXiv:2305.04981 [astro-ph.GA].
Екатерина Киреева
Свежие комментарии