Астрономы обнаружили Локи, древнюю звездную систему, скрытую в Млечном пути

Фото из открытых источников

Группа чрезвычайно древних звёзд, орбиты которых скользят по плоскости нашей галактики, может быть последним остатком массивной системы, столкнувшейся с Млечным Путем на ранних стадиях своего формирования. Исследователи предварительно назвали её «Локи».

Исследователи из Великобритании, Канады, Чили и других стран детально проанализировали 20 очень старых звезд, расположенных в окрестностях Солнца, все из которых движутся по необычным орбитам, удерживая их вблизи плоскости Млечного пути. Результаты, опубликованные в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, предполагают, что эти звезды могут быть остатками древней системы, столкнувшейся с нашей галактикой более 10 миллиардов лет назад.

Чтобы понять, как сформировалась Млечный Путь, астрономы ищут самые старые из существующих звёзд. Эти звёзды, называемые звёздами с очень низкой металличностью, содержат очень мало тяжёлых элементов, потому что они родились, когда Вселенная была ещё молодой, и у предыдущих звёзд ещё не было достаточно времени, чтобы создать и распространить эти элементы.

Один из способов понять химическую историю и историю формирования нашей галактики — это изучить реликвии тех ранних времен, объясняют авторы во введении к своей статье.

Группа исследователей под руководством Ф. Сестито отобрала 20 таких древних звёзд. Но они выбрали не любую звезду: все они находятся относительно близко к Солнцу (менее 2000 парсеков, около 6500 световых лет), и, что наиболее важно, их орбиты никогда не отклоняются более чем на 4000 парсеков (около 13000 световых лет) от плоскости Млечного Пути.

Из этих 20 звёзд 11 движутся в том же направлении вращения, что и большинство звёзд в галактике («прямые» орбиты), а 9 — в противоположном направлении («ретроградные» орбиты). Все они имеют очень вытянутые или эксцентричные орбиты со значениями от 0,5 до 0,9 (где 0 соответствует идеальному кругу, а 1 — прямой линии).

Для анализа состава этих звезд ученые использовали спектры очень высокого качества, полученные с помощью прибора ESPaDOnS, установленного на телескопе Канада-Франция-Гавайи. Этот прибор разлагает звездный свет на его основные цвета, подобно радуге, что позволяет идентифицировать присутствующие в нем химические элементы.

Результаты показали нечто удивительное. Хотя на традиционных картах эти звезды, казалось, сливались с остальными древними звездами галактического «гало» (сферической оболочки, окружающей нашу галактику), более глубокий анализ выявил существенные различия.

Исследователи отмечают, что наши звезды демонстрируют более узкий разброс химического состава, чем звезды гало и балджа (ядра галактики) с одинаковой металличностью. Другими словами, в то время как звезды галактического гало демонстрируют большое разнообразие химического состава (подобно супу, приготовленному из множества различных ингредиентов), эти 20 звезд химически очень похожи друг на друга.

Для проверки этого астрономы использовали два разных метода. Во-первых, они построили химические филогенетические деревья, аналогичные тем, которые используются для изучения эволюции видов, но примененные к звездам в соответствии с их составом. Результат был очевиден: все эти звезды, за исключением одной, образуют очень сплоченную группу.

Во-вторых, они сравнили химический состав своих звёзд с составом звёзд других групп. Они подсчитали, что разброс в содержании таких элементов, как магний, кальций или титан, в этих звёздах значительно меньше, чем в галактическом гало. Фактически, он сопоставим с тем, что наблюдается в пределах одной карликовой галактики.

Авторы утверждают, что химический состав наших звёзд очень похож на состав химического состава замкнутой системы.

Один из самых интересных вопросов, поднятых этим открытием, заключается в том, происходят ли все эти звезды из одной системы, поглощенной Млечным Путем, или же они происходят из двух разных систем (одна для звезд с прямым движением, а другая для звезд с ретроградным движением).

Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи обратились к космологическим моделям высокого разрешения, называемым NIHAO-UHD. Эти модели показывают, что вполне возможно, чтобы одна система, столкнувшаяся с Млечным Путем на самых ранних стадиях его развития, до образования галактического диска, рассеяла свои звезды как на прямые, так и на ретроградные орбиты вблизи плоскости галактики.

Результаты моделирования показывают, что аккрецированная система слилась с формирующейся прото-Млечным Путем под углом инжекции приблизительно 40 градусов, поясняют они. Из-за слабого гравитационного потенциала протогалактики и отсутствия чистого вращения в протодиске система смогла рассеять свое звездное содержимое в основном внутри формирующегося протодиска, при этом часть материала рассеялась в ретроградные конфигурации.

Более того, при сравнении свойств прямоходящих и ретроградных звезд в своей выборке они не обнаружили существенных химических различий между двумя группами. Это подтверждает гипотезу об общем происхождении.

Если все эти звезды действительно происходят из одной системы, поглощенной Млечным Путем, исследователи предложили предварительно назвать ее Локи (в скандинавской мифологии это озорной бог, известный тем, что сеет хаос, хотя авторы отмечают, что он не является ни полностью добрым, ни полностью злым).

Используя модели галактической химической эволюции, учёные оценили массу этой системы. Для этого они предположили, что звёзды образовались в замкнутой системе, без притока или оттока газа, и что скорость звездообразования остаётся постоянной с течением времени.

Расчеты показывают, что общая масса барионной материи (то есть обычной материи, из которой образуются звезды и газ) этой системы составила бы приблизительно 1,4 миллиарда масс Солнца.

Это значение аналогично значению для классических карликовых галактик Местной группы; например, Магеллановы облака имеют барионную массу около 900 миллионов и 2 миллиардов солнечных масс соответственно, сравнивают авторы.

Эта масса также совпадает с массой системы, смоделированной в рамках проекта NIHAO-UHD, которая имела звездную массу 320 миллионов солнечных масс, массу газа 6,4 миллиарда солнечных масс и массу гало темной материи 49 миллиардов солнечных масс.

В случае, если бы звезды с прямым и ретроградным движением звезд происходили из двух разных систем, их общая масса была бы приблизительно вдвое больше, около 2,8 миллиарда солнечных масс.

В последние годы астрономы обнаружили множество звёздных структур, которые могут быть остатками древних столкновений: Никс, Алеф, Шива, Шакти, Секвойя, Тамнос и другие. Однако ни одна из них, по-видимому, полностью не соответствует характеристикам этой новой группы.

Например, звезды Шива и Шакти были обнаружены недавно и также находятся на орбитах, близких к плоскости галактики. Но когда исследователи сравнили положения их звезд в «пространстве действия» (способ представления орбит), они обнаружили, что группа Локи занимает другую область.

Авторы поясняют, что положение маркеров относительно известных структур не соответствует реальным звездам, поскольку они выбираются случайным образом из медианы их величин действия.

Используя алгоритм визуализации t-SNE, который группирует объекты по их химическим свойствам (без использования информации об их орбитах), исследователи подтвердили, что их звезды образуют скопления и четко отделяются от большинства звезд галактического гало.

Фундаментальный вопрос, на который данное исследование не может дать полного ответа, заключается в том, образовались ли эти звезды внутри самого Млечного пути («in situ») или же они пришли извне («аккрецировали»).

Традиционно астрономы используют диаграмму Mg/Mn против Al/Fe для различения звёзд, образовавшихся внутри галактики, от звёзд, пришедших из аккреционных систем. Звезды, образовавшиеся в галактическом диске, обычно занимают иную область, чем звёзды, пришедшие извне.

Однако исследователи предупреждают, что этот инструмент теряет эффективность при анализе звезд с очень низким содержанием металлов, подобных тем, что были в их выборке.

В отсутствие надежной химической диагностики в области очень низкой металличности мы не можем однозначно исключить сценарий in situ, основываясь исключительно на этом химическом пространстве, признают авторы.

Вполне возможно, что самые древние звезды, образовавшиеся в прото-Млечном Пути, имеют химический состав, очень похожий на состав аккрецированных систем, потому что в столь отдаленные времена химический состав галактики еще не успел диверсифицироваться.

Когда исследователи расширили свой кругозор, включив в него другие звезды на плоских орбитах, но с различными орбитальными свойствами (например, более круговыми, а не эксцентричными орбитами), они обнаружили гораздо более разнообразную картину.

Объединив данные других исследований, охватывающих все типы звезд, от ультранизкометаллических (с содержанием железа менее 0,01% от солнечного) до умеренно низкометаллических, они обнаружили, что общая популяция звезд с плоскими орбитами химически очень неоднородна.

Они приходят к выводу, что широкий разброс значений X/Fe среди этой обширной подборки планарных звезд не может быть полностью согласован с помощью систематических ошибок химического анализа, выявленных в различных исследованиях.

По этой причине они предполагают, что в формировании глобальной популяции звезд на плоских орбитах участвовали множественные системы с различной историей химического обогащения. Особенность их выборки заключается в сочетании очень эксцентричных орбит и заметной химической однородности.

Следующим шагом станет ожидание результатов крупных предстоящих спектроскопических исследований, таких как WEAVE (на телескопе Уильяма Гершеля на острове Ла-Пальма) и 4MOST (в обсерватории Параналь в Чили). Эти инструменты предоставят гораздо более крупные и однородные выборки очень бедных металлами звезд, что позволит подтвердить или опровергнуть существование Локи и лучше охарактеризовать свойства этой возможной предковой системы.

Между тем, эти 20 звёзд остаются безмолвными свидетелями далёкой эпохи в истории нашей галактики, когда Млечный Путь ещё только формировался, и целые системы падали в него, оставляя за собой звёзды, разбросанные, словно космические хлебные крошки.

Некоторые из этих «хлебных крошек», подобные тем, которые сейчас изучают эти астрономы, оказались на удивительно плоских орбитах, терпеливо ожидая более 10 миллиардов лет, пока кто-нибудь не расшифрует их историю.