Астрономы обнаружили, что одно из основных правил формирования звёзд неверно

Фото из открытых источников

Астрономы обнаружили, что состав звёзд в Млечном пути меняется, что ставит под сомнение основное предположение, используемое для измерения далёких галактик. Результаты исследования были опубликованы в The Astrophysical Journal Letters.

Астрономы не могут увидеть большинство звёзд в далёкой галактике. Слабые излучают почти не свой свет, поэтому астрономы оценивают их количество по правилу, предполагающему, что звёзды образуются одинаково повсюду. Новое исследование звёздных скоплений внутри Млечного пути показало, что это не так.

Чарльз Штейнхардт и двое его коллег измерили соотношение размеров звёзд в 110 скоплениях нашей собственной галактики, и оказалось, что это соотношение различается от одного скопления к другому.

Все скопления галактик, которые они могли бы использовать, находятся внутри Млечного пути, поэтому утверждение о том, что другие галактики ведут себя аналогично, является выводом, сделанным на основе наших собственных наблюдений.

«Одно из основных предположений астрономии может быть чрезмерно упрощено», — сказал Штейнхардт, профессор астрономии в Университете Миссури. «Другие галактики не нарушали законы физики — мы измеряли их по неправильной шкале».

Свет галактики почти полностью исходит от небольшого числа огромных, ярких звёзд. Эти звёзды встречаются редко и составляют ничтожно малую долю всего, из чего состоит галактика. Слабые звёзды, составляющие большую часть массы, слишком тусклые, чтобы телескоп мог различить их по отдельности с такого большого расстояния.

Поэтому астрономы подсчитывают яркие звезды, которые они могут видеть, и вычисляют, сколько тусклых звезд должно находиться рядом с ними. Распределение, которое показывает, сколько звезд образуется при каждой массе, называется функцией начальной массы (ФМП), и в этой области она используется уже более 50 лет.

Измерение состава галактик по отдельности означает выделение отдельных тусклых звёзд, и до недавнего времени это было возможно только в непосредственной близости от нас.

Астрономы десятилетиями предполагали, что это утверждение не должно выполняться повсеместно. Звезды конденсируются из холодных молекулярных облаков, и то, как облако распадается, зависит от скорости звука внутри него, которая, в свою очередь, зависит от температуры газа. В более горячем облаке должно наблюдаться иное сочетание звёзд, чем в холодном.

Команде Штейнхардта нужно было место, где были бы видны слабые звезды, и все элементы сформировались бы одновременно. Открытые звездные скопления сочетают в себе оба этих качества: звезды в одном скоплении возникли из одного облака примерно в одно и то же время.

Они работали с каталогом из 7167 скоплений, отобранных из данных европейского космического аппарата Gaia , который измерил положение почти двух миллиардов звезд . Из них 3530 оказались достаточно надежными для использования. Если отсортировать звезды скопления по массе, то количество звезд уменьшится по мере увеличения их массы.

Однако падение не представляет собой плавное скольжение. Масса изгибается под действием одной массы, плавно опускаясь вниз и резко вверх, и астрономы давно определили этот изгиб как результат падения массы, равной половине массы Солнца.

Скопление галактик не сохраняет свой первоначальный состав. Его самые тяжёлые звёзды сгорают первыми, а гравитация галактики отрывает самые лёгкие звёзды в течение сотен миллионов лет. 

Таким образом, распределение численности в старом скоплении отличается от распределения в молодом. Однако изгиб кривой остается на прежнем месте. В этом и заключается вся суть теста, и всё зависит от используемой формулы: при кривой, которую предпочитали более ранние команды, обычное старение само по себе сдвигает изгиб кривой.

Только в 110 скоплениях было измерено достаточное количество слабых звёзд, чтобы определить изгиб. В этих 110 скоплениях изгиб существенно различался от скопления к скоплению, причём в более старых скоплениях изгиб был более выраженным. Если бы состав смеси был фиксированным, все они бы прогнулись под действием одной и той же массы.

Команда измерила эту связь на уровне 0,391, где 1 соответствует идеальному совпадению, с примерно одной вероятностью из 40 000 обнаружить её случайно. Затем они внесли поправку на систематическую ошибку: удаленное скопление попадает в список только в том случае, если его изгиб уже достаточно высок. Они снова измерили его значение, и оно составило 0,449.

Наклоны по обе стороны изгиба не демонстрировали реальной зависимости от возраста. В этом и заключается суть. Старение меняет наклоны, оставляя изгиб неизменным, поэтому изгиб, который продолжает меняться, должен был быть задан при рождении.

Одно из скоплений демонстрирует, насколько мало оно перемещается. В NGC 6067, согласно необработанным данным, его масса составляет 1,23 массы Солнца, а корректировка с учетом данных Gaia и наличия двойных звезд увеличила ее до 1,28. Использование неверного возраста для этого кластера — 4 миллиарда лет вместо 1,25 миллиарда — также не изменило изгиб.

«Обнаруженная нами закономерность удивительно четкая», — сказал соавтор исследования Картер Мейерхофф.

Именно здесь близлежащие звёздные скопления начинают играть важную роль в изучении ранней Вселенной. Телескоп Уэбба обнаружил ранние галактики, которые оказались гораздо тяжелее, чем предполагалось по моделям вскоре после Большого взрыва.

В одной из статей 2023 года сообщалось о кандидатах в массивные галактики, возраст которых составляет около 600 миллионов лет. Эти массы были рассчитаны с помощью локального правила. Если облака в молодой Вселенной были горячее, то их искривление происходило в области большей массы, а это значит, что на одну яркую звезду приходилось меньше, чем предполагает правило.

Прибавленная к каждой из этих галактик масса слабых звезд оказалась бы слишком большой, как и общая масса. В статье предполагается, что массы звезд и темпы звездообразования на таких расстояниях, вероятно, завышены.

Предложение не в том, чтобы отменить это правило. «Вместо того чтобы применять одну и ту же модель ко всем галактикам, астрономы могли бы учитывать условия, при которых формировались звезды, и выбирать функцию распределения масс звезд, которая наилучшим образом соответствует этим условиям», — сказал Мейерхофф.

Газ в типичной галактике остывает в течение миллиардов лет, и более холодные облака должны образовывать иной состав звёзд. Более старые скопления, разрушающиеся под воздействием более тяжёлых частиц, соответствуют этой картине, что и делает аргумент о других галактиках таким привлекательным.

Однако наша галактика, возможно, не является типичной. В галактиках такой массы несколько миллиардов лет назад звезды образовывались гораздо быстрее, чем сейчас, а скорость звездообразования в Млечном пути оставалась сравнительно стабильной. Следовательно, охлаждение газа должно было происходить более постепенно, чем в среднем.

Скопления галактик одного возраста также распределены по диапазону масс, отличающихся друг от друга, а не сосредоточены в одном месте. Это соответствует галактике, внутренняя структура которой, по данным Gaia, уже перерисована и выглядит более фрагментарной, чем на картине из учебников.

Никто не измерял массу этого разрыва непосредственно в другой галактике, поскольку для этого необходимо различить достаточное количество отдельных слабых звезд, чтобы восстановить распределение.

Пока это не станет возможным, существование остальной части Вселенной будет зависеть от того, является ли Млечный Путь обычным объектом. Даже здесь тенденция скорее представляет собой направление, чем числовое значение. Для её точного определения потребуется гораздо более совершенная модель истории нашей галактики, чем та, что была создана до сих пор.