Млечный Путь перевернул свой диск миллиарды лет назад

Млечный Путь — это древняя галактика, в которой звезды начали формироваться вскоре после Большого взрыва. На протяжении своей долгой жизни она пережила множество событий, включая слияния с другими галактиками и поглощение меньших. Наблюдения за космосом подтверждают, что мы видим множество примеров слияний и взаимодействий галактик. Воссоздание истории слияний Млечного Пути и других событий является ключом к пониманию нашей галактики и, в более широком смысле, других галактик.

Не все аспекты Млечного Пути ясны. Несмотря на значительные научные достижения в астрономии, особенно за последние два десятилетия, некоторые его особенности до сих пор вызывают вопросы. Одной из таких загадок является его диск. У Млечного Пути есть две отдельные структуры диска, которые вращаются с различными скоростями.

Основная масса звезд галактики находится в спиральном диске, или тонком диске, но вокруг него располагается гораздо более крупный и разреженный диск, известный как толстый диск или звездный гало. Эти звезды гало изначально образовались в других галактиках, но были поглощены Млечным Путем во время слияний. Миссия ESA Gaia наблюдала миллиарды звезд в Млечном Пути и обнаружила, что толстый диск вращается гораздо медленнее по сравнению с тонким диском.

Эта схема показывает основные особенности Млечного Пути, включая оба его диска. Изображение: RJHall на английском Wikipedia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=52696960.

Астрономы усердно пытаются понять, почему это происходит. Поскольку звезды толстого диска старше, беднее металлом и следуют более эксцентричным или хаотичным орбитам, они являются свидетельством прошлых слияний. Чтобы углубиться в связь между медленным вращением разреженного гало и древними слияниями, команда исследователей использовала симуляции. Они представили свои результаты на Национальной астрономической встрече Королевского астрономического общества в Бирмингеме.

"Поскольку мы находимся внутри Млечного Пути, мы можем изучать его более детально, чем любую другую галактику, что делает его ключевой площадкой для понимания галактик в более широком контексте." - Кирилл Батраков, Университет Дарема.

Исследователи, возглавляемые Кириллом Батраковым, астрономом из Университета Дарема, использовали симуляции Auriga. Эти симуляции представляют собой набор космологических симуляций, направленных на понимание формирования галактик. Они учитывают черные дыры, сверхновые, темную материю и гравитацию, начинаясь вскоре после Большого взрыва. Симуляции Auriga создают последовательности научных снимков, которые показывают, как события в истории галактики сформировали структуры, которые мы наблюдаем сегодня.

Исследователи смоделировали 25 галактик, похожих на Млечный Путь, и позволили симуляциям работать в течение миллиардов лет.

"Наблюдения Gaia показали, что звездное гало Млечного Пути имеет слабое общее вращение примерно 10-20 км/с, однако происхождение этого вращения остается необъясненным," пишут исследователи в своем абстракте. "Вдохновленные этой находкой, я исследовал вращение звездных гало в диапазоне красных смещений от 0 до 2.5 в Auriga — наборе магнитогидродинамических космологических симуляций галактик, похожих на Млечный Путь."

Этот диапазон красных смещений охватывает примерно последние 11 миллиардов лет, поэтому каждая симуляция начиналась с галактики, похожей на Млечный Путь, примерно через 2-3 миллиарда лет после Большого взрыва. Этот период включает эпоху пикового космического звездообразования, "космический полдень" около z ≈ 1-3. Он также включает большинство крупных слияний, которые переживают эти галактики.

Симуляции, которые воспроизводили медленно вращающееся внешнее гало Млечного Пути, имели три общих признака: они образовались раньше; они пережили слияние, аналогичное слиянию Gaia-Enceladus-Sausage; и они испытали событие переворота диска.

"Мы уже знаем, что Млечный Путь в прошлом пережил мощное лобовое столкновение с галактикой, известной как Gaia-Sausage-Enceladus (часто просто называемой Gaia Sausage). Поэтому мы считаем, что диск Млечного Пути, вероятно, перевернулся в прошлом," объяснил Батраков, ведущий исследователь проекта.

"Переворот диска также означает, что большинство звезд Млечного Пути когда-то двигались по очень различным траекториям, чем сегодня — возможно, даже наше Солнце, что означает, что наша 'стабильная' точка в галактике могла быть не такой стабильной на протяжении всей жизни Солнечной системы," добавил Батраков.

Наша позиция внутри Млечного Пути создает некоторые трудности в его изучении. Однако это также работает в нашу пользу. Миссия ESA Gaia изменила наше понимание Млечного Пути, измеряя миллиарды звезд, что невозможно в такой же степени в других галактиках.

"Установление факта переворота диска добавляет новую главу в эту историю, которую мы должны учитывать, рассматривая Млечный Путь в более широком контексте других галактик." Кирилл Батраков, Университет Дарема.

"Поскольку мы находимся внутри Млечного Пути, мы можем изучать его более детально, чем любую другую галактику, что делает его ключевой площадкой для понимания галактик в более широком контексте," сказал Батраков. "Установление факта переворота диска добавляет новую главу в эту историю, которую мы должны учитывать, рассматривая Млечный Путь в более широком контексте других галактик. Меня больше всего волнует то, что эту сложную историю можно реконструировать только на основе современных наблюдений."

Полученные результаты также говорят о темном гало Млечного Пути. "Эти результаты предполагают, что Млечный Путь, вероятно, пережил переворот диска в своей истории формирования, и что его темное гало, вероятно, вращается относительно медленно," пишут авторы.

Это предполагает связь между двумя. Звездное гало могло развиваться одновременно с темным гало, поскольку Млечный Путь продолжал поглощать меньшие галактики на протяжении своей истории, как это происходит сейчас с Магеллановыми Облаками и карликовой сферической галактикой Стрельца.

Другие исследования также поддерживают сценарий переворота диска. Статья 2025 года в журнале Astronomy and Astrophysics, сосредоточенная на темном гало Млечного Пути, использовала данные Gaia для его понимания. "Мы находим предварительные доказательства того, что темное гало Млечного Пути закручено, что соответствует выравниванию с диском на внутреннем r ≲ 20 кпк и становится вертикально ориентированным в наружных областях, что соответствует предсказанию сценария переворота диска," пишут они.

Реальность жизни внутри массивной галактики, которая эволюционировала на протяжении миллиардов лет, содержит сотни миллиардов звезд, пережила слияния и перевернула свой диск, не затрагивает нашу повседневную жизнь. Но это реальность, и интеллектуальное любопытство побуждает нас стремиться к пониманию. Каждый, кто наслаждается научным путешествием к пониманию нашей родной галактики, должен поблагодарить миссию Европейского космического агентства Gaia, которая революционизирует наше понимание Млечного Пути.