По млечному следу

В прошлый раз мы рассказали вам о том, как исследования Андромеды могут поведать об эволюции галактик в целом и почему наша собственная галактика не очень в такую теорию вписывается. Поэтому логично на этот раз рассказать о самом Млечном Пути.

В прошлый раз мы рассказали вам о том, как исследования Андромеды могут поведать об эволюции галактик в целом и почему наша собственная галактика не очень в такую теорию вписывается. Поэтому логично на этот раз рассказать о самом Млечном Пути. К тому же на прошлой неделе в астрообзоре Сергея Попова появился интересный препринт доклада астронома Джованни Карраро о последних достижениях в изучении нашей галактики. 
Начать надо с того, что сидя в одном из рукавов Галактики, мы хорошо видим множество звезд, облаков газа, отдельные звездные скопления и можем довольно точно определить их скорости, возраст и массу. Но всего этого недостаточно, чтобы достоверно узнать, как именно устроена галактика, в которой мы живем. К примеру, телескоп Кеплер, который изначально был сконструирован для наблюдения звезд Млечного Пути, видит всего лишь его узкий кусочек:
Это прозвучит странно, но морфологию, кинематику, размеры, массу темной материи сотен и тысяч других галактик мы знаем лучше, чем своей собственной. Воистину, «Лицом к лицу лица не увидать/Большое видится на расстоянии».
Неразрешенных вопросов относительно Млечного Пути остается все еще много и профессор Карраро рассмотрел только три самых «горячих» в астрофизике, ответы на которые мы надеемся получить в ближайшие 5-10 лет: Какова форма и природа диска Млечного Пути? Спиральные рукава — сколько их на самом деле и почему в оптическом и в радиодиапазоне астрономы астрономы видят разное количество рукавов? Наконец, что происходит во внешней части диска, что определяет его размеры? Есть ли резкий обрыв в концентрации звезд на краю галактики и или их плотность просто плавно уменьшается?

Крутятся диски

По современным представлениям, у Млечного Пути два диска — тонкий, в котором, в частности, находится Солнце, и более толстый, который был обнаружен 1983-м году Гилмором и Ридом. Важно понимать, что один не начинается там, где кончается другой — тонкий диск вращается внутри толстого, и это совсем не помогает определить кто есть где.

Как вы, наверное, помните, в прошлом обзоре

, что у нашей Галактики как раз толстого диска нет. На самом деле это не совсем так, поэтому здесь нужно сделать небольшое отступление. Вообще, в любой — галактике, спиральной, эллиптической или неправильной, — звезды распределены по сферическому объему, который называется гало.

Концентрация звезд в гало настолько сильно варьирует, что у многих спиральных галактик мы видим только самую яркую часть — как раз диск со спиральными рукавами. И чем подробнее изучена галактика, тем труднее дать четкий критерий — где кончается диск и начинается гало.

У Млечного Пути, например, если посмотреть в сторону центра галактики, виден четкий перегиб на графике звездной плотности по вертикальной оси. Именно этот перегиб и отделяет тонкий диск от толстого. Но плотность внешнего толстого диска в Млечном пути очень мала — как по сравнению с тонким диском, так и по сравнению с другими галактиками. Именно поэтому Клер Дорман,

 которой мы рассматривали в прошлый раз, не учитывала его, когда утверждала, что эволюция Млечного Пути была намного более спокойной, чем история Андромеды.

Но каким бы разреженным не был толстый диск, было бы интересно разобраться, как он образовался и как он взаимодействует с внутренним диском. И оказалась удивительная штука — ученые не могут даже договорится, принимать ли эти диски за два отдельных формирования или за один неделимый диск, просто с различным распределением плотности. После изучения звездных возрастов,

 и движения вокруг галактического центра, разные группы астрономов все равно приходят к разным выводам.

В чем они сходятся, так это в природе образования толстого диска: составная ли это часть единого диска или самостоятельное образование, но родился он в результате аккреции вещества из внешней части Млечного Пути. В то время как тонкий диск, бесспорно сформировался в соответствиями с законами кинематики из университетского курса: если гравитационно-замкнутая система тел вращается вокруг своей оси, то ее частицы будут стремится иметь максимальную линейную скорость, то есть располагаться как раз в плоскости диска перпендикулярно оси вращения.

Сколько рук у Галактики

Если говорить о спиральных рукавах, то здесь ясности не многим больше. Впервые о возможности существования нескольких рукавов в нашей галактике было заявлено в статье Стивена Александера 1852-го года и долгие годы его предположение не могло быть ни подтверждено, ни опровергнуто в силу технических ограничений телескопов — точности фотопластинок было явно недостаточно, чтобы измерить скорости перемещения отдельных звезд и по ним построить примерную карту расположения рукавов.

Некоторый прогресс наметился во время Второй мировой войны, когда знаменитый астроном Вальтер Бааде использовал удачные для астрономов обстоятельства войны с Японией (в Лос Анджелесе, неподалеку от которого располагался крупнейший на тот момент 2,5-метровый телескоп, был введен режим светомаскировки). Бааде удалось обнаружить ионизированный водород в соседней Андромеде, причем быстро стало понятно, что его облака располагаются именно в рукавах галактики. Обнаружив такие же облака в нашей Галактике, можно было попытаться построить карту и ее рукавов.

Андромеда очень удачно расположена — почти лицом к нам, а вот водородные облака Млечного Пути лежат на одной плоскости и нельзя определить, какое облако ближе, а какое дальше. Поэтому другой астроном, Вальтер Морган, предложил искать не их, а молодые и яркие звезды, которые только-только из этих облаков образовались. Как мерить расстояние до звезд к тому моменту было уже известно, поэтому предложение Моргана удалось довольно быстро воплотить в жизнь. В 1952 году была представлена первая карта структуры спиральных рукавов Млечного пути, состоящая из всего тридцати (!) звезд. Впрочем, даже такого числа хватило, чтобы определить два основных рукава — рукава Персея и Центавра. Позже были обнаружены два вспомогательных — рукава Лебедя и Стрельца.

Радиоастрономические наблюдения позже подтвердили наличие двух «основных» и двух «вспомогательных» рукавов и таковой картина оставалась несколько десятков лет. Именно на основе этих данных было создано изображение Млечного пути «сверху», которое вы наверняка видели:

Это, конечно, представление художника, но оно оказалось настолько удачным, что его неоднократно публиковали во множестве научных статей, когда разговор заходил о морфологии Млечного Пути.

Ситуация изменилась в последние 10-15 лет, во многом благодаря работе телескопа WISE. Его наблюдения в инфракрасном спектре позволили найти два новых рукава, еще более слабых, чем рукава Лебедя и Стрельца. Так что на 2015-й год, наша Галактика — это такой шестирукий Шива, с четырьмя основными конечностями и еще двумя недоразвитыми (в одной из которых как раз находится Солнце).

Пограничный вопрос

Наконец, последняя тема, затронутая Карраро — это состав внешнего диска, то есть всего того, что расположено от центра Галактики еще дальше, чем Солнце.

В 2006-м году выяснилось, что диск там не такой уж и плоский — приливные силы от Малого и Большого Магеллановых облаков (это галактики-сателлиты нашего Млечного пути) вызвали изгиб диска, наподобие того, который виден на виниловой пластинке, если оставить ее на солнце. Дебаты о том, где находится край этого диска (считается, что его радиус порядка 13 килопарсек) идут так же горячо, как и о том где он кончается ввысь.

Но важно то, что где бы он ни кончался, плотность звезд там такая малая, что появляется возможность обнаружить области повышенной плотности во внешнем диске. Скорее всего это облака холодного водорода, которые медленно аккрецируют на тонкий диск, создавая питательную среду для образования новых звезд. Кстати, в среднем в Млечном Пути появляется одна звезда в год.

В заключение надо сказать, что сейчас в космосе, во второй Лагранжевой точке системы Земля-Солнце находится (и с прошлого лета успешно работает) телескоп, который сможет сильно увеличить наши знания о Млечном Пути. Это телескоп

, запущенный в конце 2013 года с одной из самых амбициозных задач — собрать изображения одного миллиарда звезд с тем, чтобы получить непревзойденную по качеству карту Млечного Пути. Когда она будет составлена, мы, наконец, сможем узнать о нашей Галактике больше, чем знаем о ее соседях.