В течение десятилетий астрономы считали, что облако звезд, окружающее нашу Галактику, называемое звездным гало, в основном сферическое и однородное, как баскетбольный мяч. Образ Млечного Пути в центре сферического внешнего гало всегда был единственным в сознании астрофизиков. Все исследования, касающиеся распределения темной материи вокруг Галактики, а также исследования в области физики астрочастиц всегда основывались на этой сферической модели. Теперь новаторское исследование Гарвардского и Смитсоновского центров астрофизики, основанное на современных наблюдениях, показывает, что звездный ореол имеет продолговатую форму и наклон, больше похожий на мяч для регби.
Звездное гало Млечного Пути — это видимая часть того, что более широко называется галактическим гало. В этом галактическом ореоле преобладает невидимая темная материя, присутствие которой можно определить только по гравитации, которую она оказывает на окружающее пространство.
Каждая галактика имеет свой ореол темной материи, вернее, каждая галактика возникает именно там, где эта темная материя распределена по Вселенной. Для лучшего понимания того, как формируются и взаимодействуют галактики, а также глубинной природы темной материи, звездные гало являются ценными астрофизическими объектами.
Звездное гало Млечного Пути: диффузное, неоднородное и несферическое
Учитывая важность галактических ореолов, они всегда были предметом изучения научного сообщества. Однако до сих пор ученым было очень трудно проследить форму нашего гало. Это связано с тем, что мы находимся прямо внутри него.
Она простирается на несколько сотен тысяч световых лет выше и ниже плоскости звезд в нашей Галактике, где находится наша Солнечная система. Поэтому мы не можем иметь для нашего гало ту же перспективу, что и для внешних галактик, которые мы наблюдаем и измеряем.
Еще больше усложняет ситуацию то, что звездное гало оказалось довольно диффузным и содержит лишь около одного процента массы всех звезд в галактике. Однако со временем астрономам удалось выявить многие тысячи звезд, населяющих это гало. Наблюдая за ними, трудно отличить их от тех, которые принадлежат другим галактикам, находящимся в том же поле зрения. Однако звезды нашего Млечного Пути имеют очень характерный химический состав, который можно измерить с помощью спектроскопических исследований.
Новое использует преимущества двух крупных наборов данных, собранных в последние годы, которые позволили исследовать звездное гало как никогда ранее:
- Первый набор поступает с Gaia, космического спутника ЕКА. С 2013 года он продолжает собирать самые точные измерения положения, движения и расстояний миллионов звезд в Млечном Пути, включая звезды в звездном гало.
- Второй набор данных получен от H3 (Hectochelle in the Halo at High Resolution), наземного исследования, проведенного в обсерватории Фреда Лоуренса Уиппла в Аризоне. H3 собрал подробные наблюдения за десятками тысяч звезд, слишком удаленных, чтобы оценить их с помощью Gaia.
Благодаря этим данным астрономы поняли, что звезды в гало распределены неравномерно. Есть места, где их плотность значительно превышает среднюю, образуя настоящие «кластеры». Они стали предметом новых исследований, направленных на выяснение конечного происхождения звездного гало. Более того, объединение данных в гибкую модель позволило понять, что гало определенно несферическое.
Эта новая форма, а также совпадение с формой других гало, убедительно подтверждает одну из основных теорий, касающихся формирования звездного гало Млечного Пути. Предполагается, что звездное гало образовалось, когда одинокая карликовая галактика столкнулась с нашей 7-10 миллиардов лет назад. В результате этого галактического столкновения карликовая галактика была разорвана на части, а составляющие ее звезды рассеялись, образовав гало. Такая история объясняет внутреннее отличие звезд гало от звезд, родившихся и выросших в Млечном Пути.
Несуществующая карликовая галактика забавно известна как Gaia-Sausage-Enceladus (GSE). «Gaia» относится к миссии ESA, «Sausage» происходит от формы, которая появляется при построении данных Gaia. «Enceladus» вместо этого относится к греческому мифологическому гиганту, который был похоронен под Сицилией, точно так же, как GSE была погребена в Млечном Пути.
Результаты исследования рассказывают о том, как взаимодействие GSE и Млечного Пути привело к образованию продолговатого, наклонного гало. По-видимому, GSE совершил два оборота вокруг нашей Галактики, прежде чем был поглощен ею. Во время этих орбит GSE дважды замедлялась в так называемых апоцентрах — точках, наиболее удаленных от Млечного Пути на орбите карликовой галактики.
Эти изменения темпа привели к рассеянию большего количества звезд там, где GSE задерживалась дольше всего. Наклон звездного гало, с другой стороны, указывает на то, что GSE столкнулся с Млечным Путем под углом падения, который не был прямым. В следующем видеоролике показано, как галактическое гало будет наклонено и вытянуто.
Ореол темной материи
«Наклон звездного гало убедительно свидетельствует о том, что лежащее в его основе гало темной материи также наклонено«, — сказал Чарли Конрой, профессор астрономии Гарвардского университета и соавтор исследования. «Наклон гало темной материи может иметь значительные последствия для нашей способности обнаруживать частицы темной материи в лабораториях на Земле«.
Знание того, что это гало не является однородным, а внутри него есть точки с более высокой плотностью, может также обеспечить гораздо более точные координаты для наших детекторов темной материи. Когда Земля будет двигаться по Млечному Пути, она будет наблюдать эти области плотных, высокоскоростных частиц темной материи. Это повысит вероятность обнаружения.
Исследования, подобные этому, не только открывают горизонты поиска одного из самых таинственных и загадочных компонентов нашей Вселенной — темной материи, но и помогают ответить на некоторые из самых распространенных вопросов о нашем доме — Млечном Пути.