Тонкий диск Млечного Пути мог сформироваться гораздо раньше, чем предполагалось

Используя третий выпуск данных (DR3) миссии Gaia Европейского космического агентства (ESA), международная команда под руководством астрономов из Потсдамского астрофизического института имени Лейбница (AIP) изучила звезды в радиусе около 3200 световых лет от Солнца. Таким образом, они обнаружили удивительное количество очень старых звезд на орбитах тонкого диска, то есть организованно движущихся в пределах тонкого диска — самой плоской и плотной области внутреннего диска нашей Галактики.

Возраст большинства этих звезд превышает 10 миллиардов лет, а некоторых даже более 13 миллиардов лет. И в целом они демонстрируют широкий диапазон состава металлов: некоторые из них очень бедны металлами, другие вдвое превосходят по содержанию металлов наше Солнце.

Эти древние звезды позволяют предположить, что формирование тонкого диска Млечного Пути началось гораздо раньше, чем считалось ранее, примерно на 4-5 миллиардов лет раньше.

Вращательное движение молодых (синий) и старых (красный) солнцеподобных звезд (оранжевый), обнаруженных в ходе исследования.

Галактическая археология

Понять, как формировался Млечный Путь, — одна из главных целей галактической археологии. Для достижения этой цели необходимы подробные карты галактики, показывающие возраст, химический состав и движение звезд.

Эти карты, известные как хронохемокинематические карты, помогают восстановить историю нашей галактики. Но создание таких подробных карт сопряжено с трудностями, поскольку для этого требуются большие массивы данных о звездах с точно известным возрастом.

Один из способов преодолеть эту проблему — изучить очень бедные металлами старые звезды, которые дают возможность заглянуть в первобытный Млечный Путь. Ведь они были одними из первых звезд, сформировавшихся, когда Вселенная еще состояла в основном из водорода и гелия, до того как многие из более тяжелых элементов были созданы и распределены последующими поколениями звезд.

Тонкий диск старше, чем ожидалось

Поэтому исследователи воспользовались третьим выпуском данных миссии Gaia — спутника, занимающегося астрометрией, то есть каталогизацией движений более миллиарда звезд в нашей галактической окрестности.

Команда проанализировала звездные параметры более 500 000 звезд, используя новый метод машинного обучения, который объединяет информацию из различных типов данных, чтобы получить улучшенные звездные параметры с высокой точностью. Эти точные измерения включают гравитацию, температуру, содержание металлов, расстояния, кинематику и возраст звезд.

Для примерно 200 000 таких звезд удалось рассчитать расстояния и возраст со средней точностью 1 % и 12 % соответственно, обнаружив, что более 50 % бедных металлами звезд на орбитах с тонкими дисками старше 13 миллиардов лет. Они включают широкий диапазон металличности, от самых бедных до наиболее богатых металлами по сравнению с Солнцем.

Выборка звезд из каталога Gaia, использованная в исследовании, показана в пределах белых контуров. Красная область показывает положение около 200 000 звезд, для которых были определены достоверные возрасты.

В частности, алгоритм обнаружил большое количество древних звезд на орбитах, похожих на орбиту нашего Солнца, которые, судя по всему, сформировали тонкий диск Млечного Пути менее чем через 1 миллиард лет после Большого взрыва.

Это на несколько миллиардов лет раньше, чем считалось ранее: было установлено, что тонкий диск начал формироваться около 8-10 миллиардов лет назад. Однако эти оценки опережают процесс на 4-5 миллиардов лет. Самир Непал из AIP, первый автор исследования, сказал:

«Это исследование также подчеркивает, что в ранние эпохи в нашей галактике происходило интенсивное звездообразование, что привело к очень быстрому обогащению металлами внутренних областей и формированию диска. Это открытие согласует хронологию формирования дисков Млечного Пути с хронологией галактик с высоким красным смещением, наблюдаемых космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST) и радиотелескопом Atacama Large Millimeter Array (ALMA)«.

Будущее с 4MIDABLE-LR

Таким образом, исследование не только предполагает, что тонкий диск Млечного Пути мог сформироваться гораздо раньше, чем мы думали, но и указывает на то, что его формирование сильно коррелирует с ранним химическим обогащением самых внутренних областей нашей Галактики.

Решающую роль в этом открытии сыграло объединение данных из разных источников и применение передовых методов машинного обучения, что позволило увеличить количество звезд с качественными звездными параметрами.

В будущем подобная техника машинного обучения будет использована для анализа миллионов спектров, собранных в рамках исследования 4MIDABLE-LR, что расшифровывается как 4MOST Milky way Disk And BuEgE Low-Resolution Survey. 4MIDABLE-LR станет крупнейшим спектроскопическим наблюдением за Gaia и позволит визуализировать Млечный Путь как целую звездную систему, создав подробную 3D-карту звездного диска и выпуклости Млечного Пути. Исследование будет проводиться с помощью 4-метрового многообъектного спектроскопического телескопа 4MOST (ESO), который начнет работу в 2025 году.

С исследованием в препринт-версии можно ознакомиться здесь.