Шаровые скопления Млечного Пути образовались на заре Вселенной

Фото из открытых источников

Не обязательно полагаться исключительно на JWST, чтобы наблюдать за старейшими звездами Вселенной. Некоторые из старейших звезд во Вселенной находятся в шаровых скоплениях, и в Млечном Пути их около 150. Насколько они стары? Новое исследование дает ответ. Исследование опубликовано в The Astrophysical Journal, ведущий автор — Цзяци (Мартин) Ин из Дартмутского колледжа.

Шаровые скопления (ШС) — это сферические скопления звезд, связанных вместе гравитацией. Крупнейшее ШС Млечного Пути, Омега Центавра, содержит около 10 миллионов звезд, в то время как другие содержат только около 10 000. ШС встречаются почти во всех галактиках. В спиралях, таких как наша, они в основном находятся в галактическом гало.

Астрономы ломали голову над их местом в галактической эволюции, и часть неопределенности возникает из-за возраста их членов. Они содержат звезды всех возрастов и составов, что указывает на сложную историю. В новом исследовании астрономы проанализировали восемь старых ГС Млечного Пути, чтобы определить их возраст.

«Шаровые скопления (ШС) обеспечивают статистически значимые одновозрастные популяции звезд, охватывающие различные эволюционные стадии, что позволяет накладывать надежные ограничения на параметры и возрасты моделей звездной эволюции», — пишут авторы. Работа фокусируется на их металличности и возрасте, двух взаимосвязанных факторах, которые многое говорят астрономам о звездах, галактиках и о том, как Вселенная эволюционировала от состояния с низкой металличностью к обогащенному. «Соотношение возраста и металличности ШС имеет решающее значение для понимания формирования и эволюционной истории галактик, а также процессов химического обогащения во Вселенной», — объясняют они.

Существует два фактора, связанных с возрастом GC: их абсолютный возраст и относительный возраст. Ученые используют относительный возраст для сравнения и группировки GC. Это намного проще, чем определение их абсолютного возраста, поскольку опирается на меньшее количество предположений, что означает меньшую неопределенность. Их абсолютный возраст помогает ученым определить конкретные временные рамки формирования Вселенной и ее галактик. Однако при определении абсолютного возраста существует больше неопределенностей, чем относительного возраста.

«Достижение этой цели было давней целью», — пишут авторы. «Недавние достижения в вычислительной мощности и растущая доступность наблюдательных ограничений дают возможность оценить абсолютный возраст ШС с большей точностью».

Расстояние — одна из самых больших неопределенностей, которая затрудняет определение абсолютного возраста. Предыдущие исследования некоторых из тех же авторов показывают, что неопределенности расстояния могут составлять 80% ошибки возраста для некоторых GC Млечного Пути. Хотя миссия Gaia дала астрономам гораздо более точные расстояния до миллиардов объектов Млечного Пути, GCS расположены во внешних областях галактики, которые Gaia было трудно наблюдать.

Эта работа в основном опирается на усовершенствованную камеру для обзоров (ACS) космического телескопа Хаббл и ее программу сокровищницы обзора шаровых скоплений. Обзор предоставил фотометрические данные с низким отношением сигнал/шум для звезд главной последовательности в Млечном Пути. Затем они сравнили их с наборами изохрон. Изохроны — это теоретические кривые на диаграмме Герцшпрунга-Рассела — или диаграмме цвет-величина — которые отображают звезды по их температуре и яркости.

По мере того, как звезды стареют, они следуют определенным эволюционным траекториям на этих диаграммах, основанным на их массах. Изохрона соединяет положения звезд с одинаковым возрастом, но разной массой. Они показывают, где звезды с разной массой появятся на диаграмме в определенный момент. Поскольку звезды в GC считаются одновозрастными, то есть они одного возраста, но находятся на разных стадиях эволюции, изохроны работают исключительно хорошо для определения возраста GC.

Исследователи использовали этот метод для оценки абсолютного возраста восьми шаровых скоплений Млечного Пути: NGC 104 (47 Tuc), 4147, 5053, 5466, 6362, 6809 (M55), 7078 (M15) и 7099 (M30).

Они указывают, что хотя астрономы долгое время считали, что звезды в GC имеют одинаковый возраст, более поздние данные ставят под сомнение это предположение. Недавние исследования показывают, что 47 Tuc имеет более разнообразное по возрасту население, чем считалось, возможно, из-за слияний. Это усложняет определение абсолютного возраста GC.

«Мы используем 47 Tuc в качестве нашего тестового случая, поскольку он демонстрирует самые веские доказательства существования множественных популяций вокруг области поворота среди кластеров, которые мы изучаем в этой статье», — объясняют авторы. Они обнаружили, что 47 Tuc имеет две популяции. Возраст популяции 1 составляет около 11,91 миллиарда лет, а популяции 2 — около 12,02 миллиарда лет.

Они также использовали M55, поскольку он содержит две известные звезды с металличностью, схожей с M55 в целом. «Мы определяем абсолютный возраст M55 как 12,22 ± 0,57 млрд лет», — пишут они.

После детального моделирования, анализа и сравнений исследовательская группа определила абсолютный возраст восьми шаровых скоплений Млечного Пути. «Мы представляем первую абсолютную зависимость возраста от металличности для шаровых скоплений Млечного Пути, полученную на основе нашей расширенной выборки с абсолютным возрастом в диапазоне приблизительно от 11,5 до 13,5 млрд лет и типичной неопределенностью от 0,5 до 0,75 млрд лет», — пишут они.

Это означает, что самые старые звезды в шаровых скоплениях Млечного Пути могут быть почти такими же старыми, как и сама Вселенная. Эти удивительные ветераны образовались менее чем через 300 000 лет после Большого взрыва.

Их результаты также показали, какие факторы влияют на неопределенность определения абсолютного возраста.

«Наш анализ выявил общую закономерность во всех кластерах, указав, что расстояние и покраснение являются основными источниками неопределенности, которые в совокупности вносят более 50% в общую неопределенность определения возраста», — поясняют они.

Они также определили, что смешанное население в GC не оказывает большого влияния на их абсолютный возраст. «Мы обнаружили, что существование множественных звездных популяций в GC имеет ограниченное влияние на абсолютный возраст GC», — пишут они.

Эти результаты расширяют наше понимание того, как формируются ШС, и дают ценную информацию об истории ранней аккреции Млечного Пути. «Важно то, что мы демонстрируем четкую тенденцию к более длительному возрасту при более низкой металличности», — пишут они. Это соответствует более широкому пониманию того, что Вселенная со временем обогащалась металлами.

Наука итеративна, и такие результаты укрепят существующие модели звездной эволюции и шаровых скоплений. Разные исследователи используют разные наблюдения, модели и анализы и вносят вклад в коллективные усилия по созданию лучших моделей, которые точнее отражают природу. Наградой станет открытие интересных фактов природы, например, этих древних звезд у нас во дворе.