Наша галактика однажды перевернулась: как Млечный Путь изменил ось вращения из-за древнего столкновения

Когда мы смотрим на ночное небо, Млечный Путь кажется нам устойчивой и неизменной структурой. Основная часть звёзд нашей галактики, включая Солнце, движется по круговым орбитам в одной плоской системе — галактическом диске. В течение десятилетий в астрономии преобладало представление о том, что эта плоскость сформировалась в самом начале жизни галактики и с тех пор практически не меняла своего положения в пространстве.

Однако новые данные, полученные командой астрофизиков из Даремского университета под руководством Кирилла Батракова, заставляют пересмотреть историю нашей галактики. Компьютерное моделирование показало, что примерно 10-11 миллиардов лет назад Млечный Путь пережил масштабное столкновение с другой галактикой. Это событие не просто добавило новые звёзды в нашу систему, но и полностью разрушило её прежнюю структуру. В результате столкновения плоскость галактического диска изменила свою ориентацию в пространстве более чем на 90 градусов.

Источник

Строение галактики: диск, гало и скрытая масса

Чтобы разобраться в механизме этого процесса, необходимо понять, из каких основных частей состоит Млечный Путь. Астрономы выделяют два главных видимых компонента нашей галактической системы.

Первый компонент — это плоский диск. В нем сконцентрировано подавляющее большинство звёзд, а также основные запасы межзвёздного газа и пыли. Звёзды в диске вращаются вокруг центра галактики в одном направлении и примерно в одной плоскости. Именно здесь расположены молодые звёздные скопления и наша Солнечная система.

Второй компонент — это звёздное гало. Оно представляет собой огромную, но очень разреженную сферу, которая окружает диск со всех сторон. Звёздное гало состоит преимущественно из самых старых звёзд галактики, а также из остатков небольших карликовых галактик, которые Млечный Путь притянул и поглотил за миллиарды лет своего существования.

Помимо видимых звёзд и газа, существует и третий компонент, который невозможно увидеть напрямую — гало тёмной материи. Это колоссальное облако невидимой массы, которое создает основное гравитационное поле и удерживает всю галактику от распада.

Загадка медленного вращения внешних звёзд

Долгое время у исследователей вызывало вопросы поведение звёздного гало. В 2013 году Европейское космическое агентство запустило космический телескоп Gaia. Его задачей стало точное измерение координат, расстояний и скоростей движения более чем миллиарда звёзд Млечного Пути.

Полученные данные позволили построить подробную трехмерную карту скоростей объектов в нашей галактике. Анализ показал неожиданный факт: если диск Млечного Пути вращается с высокой скоростью (около 220 километров в секунду на уровне Солнца), то его звёздное гало практически стоит на месте. Суммарная скорость вращения гало оказалась близкой к нулю.

Для физиков это стало проблемой. По законам механики, когда единое облако газа и звёзд сжимается под действием собственного притяжения, вращение центральной части должно передаваться и внешним слоям. Если центральный диск вращается быстро, окружающее его гало также должно демонстрировать заметное вращение в том же направлении. Практически полное отсутствие вращения у гало Млечного Пути указывало на то, что в истории галактики произошло крупное внешнее событие, нарушившее естественный ход вещей.

Компьютерное моделирование и механика столкновений

Для поиска причины этой аномалии астрофизики из Даремского университета использовали масштабный проект компьютерного моделирования Auriga. В рамках этого проекта суперкомпьютеры рассчитывают формирование и развитие 25 галактик, похожих на Млечный Путь, начиная с ранних этапов существования Вселенной и до наших дней. Симуляция учитывает гравитационные взаимодействия, движение газа, процессы образования звёзд и физику взрывов сверхновых.

Исследователи разделили виртуальные галактики на группы по скорости вращения их гало и стали отслеживать их прошлую историю. Выяснилось, что среди десятков смоделированных систем медленно вращающееся гало сформировалось только в тех галактиках, которые пережили совершенно определенный тип катастрофы.

В процессе эволюции галактики регулярно сталкиваются со своими меньшими соседями. В зависимости от угла и направления удара последствия столкновения принципиально различаются:

Если небольшая галактика подлетает к крупной по касательной траектории (в направлении движения её диска), она передает свою энергию вращения. В этом случае диск и гало начинают вращаться ещё быстрее.
Если же происходит прямое лобовое столкновение под углом, близким к прямому, движение падающей галактики уничтожает первоначальный момент вращения системы. Импульс падающего объекта гасит скорость вращения газа и звёзд.
В результате лобового удара гравитационные силы полностью разрушают существовавший на тот момент диск. Накапливающийся в центре галактики газ больше не может продолжать вращение в прежней плоскости. Под действием нового перераспределения массы газ начинает оседать и вращаться совершенно в другом направлении, формируя абсолютно новый диск. Плоскость этого нового диска оказывается повернута более чем на 90 градусов относительно первоначальной.

Катастрофа с участием Gaia-Sausage-Enceladus

Наблюдательные данные телескопа Gaia подтверждают, что Млечный Путь пережил именно такое столкновение. Примерно 10-11 миллиардов лет назад наша галактика поглотила крупную карликовую галактику, которая получила в научной литературе название Gaia-Sausage-Enceladus.

Эта карликовая система была достаточно массивной — её масса составляла около десятой части от массы тогдашнего Млечного Пути. Она двигалась практически по прямой линии к центру нашей галактики.

При сближении гравитационное поле Млечного Пути разорвало пришельца на части. Его звёзды разлетелись во всех направлениях и образовали внутреннюю часть современного звёздного гало. Подавляющее большинство из них до сих пор движется по сильно вытянутым орбитам, которые ведут от самых окраин галактики к её центру и обратно. На графиках скоростей эти орбиты образуют характерную вытянутую форму, из-за которой поглощенная галактика и получила часть своего названия.

Удар этой массивной системы привел к разрушению раннего галактического диска Млечного Пути. Звёзды, входившие в состав того первого диска, были выброшены со своих орбит и рассеялись в пространстве, пополнив состав звёздного гало. Именно поэтому старое гало сегодня практически не вращается: оно состоит из смеси звёзд разрушенного диска и звёзд поглощенной галактики. Их движения направлены в разные стороны и взаимно гасят общий момент вращения.

Межзвёздный газ, присутствовавший в обеих галактиках, сжался и осел в новой плоскости, определяемой новым направлением движения массы. Из этого газа начал формироваться тот диск Млечного Пути, который мы наблюдаем сегодня. Первоначальный же диск прекратил свое существование, а общая ориентация плоскости вращения изменилась более чем на 90 градусов.

Что это означает для Солнца и исследования тёмной материи

Открытие факта изменения ориентации галактического диска имеет важное значение для нескольких областей астрофизики.

Во-первых, это меняет представление о прошлом материи, из которой состоит наше Солнце. Солнечная система сформировалась около 4,6 миллиарда лет назад — то есть намного позже описанного столкновения. Однако газ и тяжелые элементы, вошедшие в состав Солнца и планет, находились в Млечном Пути и во время катастрофы. Это означает, что вещество нашего мира в ранней Вселенной двигалось по совершенно иным траекториям и находилось в плоскости, расположенной перпендикулярно современному галактическому диску.

Во-вторых, исследование Даремского университета устанавливает прямую связь между видимыми звёздами и тёмной материей. Моделирование показало, что вращение звёздного гало тесно связано с вращением гало тёмной материи. Невидимое облако тёмной материи, окружающее галактику, во время лобового столкновения также перераспределило свой момент вращения.

Поскольку тёмную материю невозможно зафиксировать приборами напрямую, её параметры приходится вычислять косвенными методами. Данные о движении звёзд в гало позволяют астрономам с высокой точностью оценить массу, форму и скорость вращения невидимого гало тёмной материи Млечного Пути.

Галактическая археология и выводы

Млечный Путь традиционно служит главным объектом для проверки космологических теорий. Мы живем внутри этой системы и можем изучать её объекты с детальностью, недоступной при наблюдении за другими галактиками. Долгое время считалось, что Млечный Путь представляет собой обычную, среднестатистическую спиральную галактику, развивавшуюся без экстремальных потрясений.

Новые данные показывают, что история нашей галактики оказалась значительно сложнее. Изменение ориентации диска — это редкое событие, которое происходит далеко не с каждой галактикой во Вселенной. Это означает, что при использовании Млечного Пути в качестве образца для изучения других звёздных систем исследователи должны учитывать его специфическое прошлое.

Работа Кирилла Батракова и его коллег демонстрирует возможности метода, который называют галактической археологией. Астрономы не способны наблюдать события, происходившие миллиарды лет назад, однако современные методы анализа скоростей и орбит звёзд позволяют воссоздать картину древних космических столкновений с высокой точностью. Мы получили доказательство того, что структура нашего галактического дома — это результат масштабного изменения ориентации, сформировавшего современный вид ночного неба.