Содержание
Возраст нашей галактики / Хабр
С развитием научных методов и инструментария учёные получают возможность точнее определить возраст нашей галактики и получить больше данных для понимания того, как она развивалась. В этом им помогает анализ таких небесных объектов, как глобулярные (шаровые) кластеры. Ниже я хотел бы рассказать немного подробнее об этих объектах и о том, к каким выводам пришли астрономы на текущий день.
Для большинства людей возраст Земли является некой точкой отсчёта, началом координат всего. В принципе, это логично. Однако с глобальной точки зрения, момент образования нашей планеты является всего лишь проходным эпизодом. Как и образование Солнечной системы. Другое дело — наша галактика. Не поддающееся осознанию скопление 200-400 миллиардов звёзд, не говоря уже о частностях в виде планет, комет, чёрных дыр и множества других объектов. Всё это живёт и взаимодействует друг с другом по зачастую совершенно не известным нам законам и принципам. Галактики часто сравнивают с феноменальными живыми организмами, что прозрачно намекает на феноменальную же человеческую гордыню в отношении нас самих, «царей природы».
А как давно появился наш галактический «организм»?
На этот вопрос астрономы пытаются ответить с помощью анализа самых старых из известных нам объектов Млечного Пути: глобулярных кластеров. Это во всех смыслах древние, довольно плотные шарообразные звёздные скопления. Вообще, наша галактика имеет форму тонкого диска с утолщением в центре. В то же время диск окружён своеобразным гало, гораздо менее плотным звёздным шлейфом.
На окраинах диска и в гало Млечного Пути присутствуют яркие «сгустки», которыми и являются глобулярные кластеры. Считается, что на каждую звезду из глобулярных кластеров приходится примерно 100 звёзд, формирующих гало. Глобулярные кластеры, как и само гало, считаются одними из самых старых объектов в нашей галактике, их образование относят ко временам юности Млечного Пути. Возраст кластеров определяют по их суммарному свечению, а вот из-за рассеянности «гало-звёзд» определять их возраст очень непросто.
Одним из основных постулатов теории эволюции звёзд является правило: чем массивнее звезда, тем быстрее она умирает.
В гало (и глобулярных кластерах) находится много белых карликов, которые являются конечной стадией жизненного цикла многих звёзд. Это истощённые, остывающие звёзды маленькой массы. По статистике, их масса составляет 50-57% от массы Солнца. Исследование белых карликов позволяет определять возраст конкретных ГК и отдельных зон гало Млечного Пути. Например, большой кластер под названием 47 Tucanae (в созвездии Тукана). Он расположен в 15 000 световых лет от нас и является вторым ярчайшим кластером после Омега Центавра. Недавние исследования показали, что возраст 47 Tucanae составляет около 9,9 миллиарда лет (±700 млн).
Это довольно молодой кластер, звёзды которого отличает высокая металличность (т.е., содержание элементов тяжелее водорода и гелия). «Обогащённые металлами» кластеры в основном расположены в диске Млечного Пути, а «обеднённые» — в гало. Такое распределение двух видов глобулярных кластеров в объёме помогает лучше понять механизм формирования и развития нашей галактики.
Разница в возрасте говорит о том, что диск галактики сформировался из гало спустя несколько миллиардов лет. Возраст глобулярного кластера Messier 4, расположенного в созвездии Скорпиона, составляет около 12,5 млрд лет. Но и он не самый старый. Одни из наиболее древних глобулярных кластеров, известных сейчас астрономии, насчитывают около 13,5 млрд лет, например, NGC 6397.Что и говорить, после этого наша старушка Земля с возрастом в 4,5 млрд лет выглядит просто девушкой.
P.S. Другие статьи на космическую тематику:
Чёрные дыры
Другие планеты
Межзвёздные путешествия
Млечный путь — наш дом во Вселенной
«Все небо усыпано весело мигающими звездами,
и Млечный Путь вырисовывается так ясно, как будто его перед праздником помыли и потерли снегом.»
А. П. Чехов
В нашу галактику входят сотни миллиардов звезд, объединенных в скопления, тысячи туманностей и невероятное количество межзвездного газа и пыли. Солнце с вращающимися вокруг него планетами — лишь крошечная частичка этой системы.
Река, текущая среди звезд
Много веков люди видели на ночном небе длинную светящуюся полосу и гадали, что это такое. Они называли ее по-разному: мост между звездами, дорога богов, небесная река, текущая среди звезд. Но самое распространенное название — Млечный Путь, или молочная дорога. Эта полоса действительно светилась так ярко, что казалась белой. Жители современных мегаполисов часто и не подозревают о ее существовании, так как яркие огни не позволяют увидеть ночное небо, усеянное звездами. Чтобы наблюдать Млечный Путь во всей красе, нужно отправиться в пустынную местность, а еще постараться, чтобы в это время не было полнолуния. Лунный свет мешает наблюдениям почти так же, как зарево городов.
Млечный Путь — спиральная галактика
Люди всегда считали Млечный Путь чем-то, что находится далеко от Земли и не имеет к нам отношения. На самом деле, это мы имеем отношение к нему. Наша Солнечная система входит в галактику Млечный Путь. И надо сказать, нам есть чем гордиться: Млечный Путь — очень крупная галактика даже по вселенским меркам.
Она относится к типу спиральных. В ее центре находится ядро, вокруг него сформирован диск, в котором располагаются изогнутые рукава. Они похожи на струи воды, вылетающие из вращающегося фонтана. Рукава заполнены молодыми звездами, горячими и яркими. Между рукавами находится более темное пространство. Каждый из рукавов имеет свое название, которое астрономы дали по находящемуся рядом созвездию, например: рукав Ориона, рукав Стрельца, рукава Персея и Лебедя.
Диаметр нашей галактики — около 100 тысяч световых лет, а ее толщина «в разрезе» — приблизительно 1000 световых лет. Звезд в Млечном Пути очень много — 200 миллиардов, поэтому он так сияет, что кажется сплошной светящейся полосой.
Наше Солнце расположено у самого края галактического диска. Так как Солнечная система движется вокруг центра галактики очень медленно, круг занимает 200 миллионов лет. За время своего существования Земля совершила всего 30 оборотов
Сколько лет Млечному пути?
Из-за расположения Солнечной системы на краю галактического диска мы смотрим на Млечный Путь изнутри и сбоку.
И видим полосу, а не диск с рукавами, закрученными в спирали. Полоса Млечного Пути — это и есть два из рукавов галактики, наложенные один на другой.
Мы могли бы увидеть и галактическое ядро, если бы его от нас не загораживала темная область, состоящая из газа и пыли. А вот саму эту туманность увидеть можно: она находится приблизительно посередине полосы Млечного Пути. К счастью, телескопы новейшего поколения, работающие с электромагнитным излучением, дают возможность узнать, что происходит за туманностью. Кроме ядра в центре нашей галактики находится гигантская черная дыра. Ее обнаружили по рентгеновским лучам и радиоволнам, которые она испускает.
Панорама нашей галактики в ночном небе острова Мадагаскар
По последним данным, возраст Млечного Пути приблизительно равен возрасту Вселенной, то есть ему не меньше 12 миллиардов лет. Наша галактика зародилась в самом начале времен, когда формировалось большинство значительных космических объектов. Огромное облако первичного газа под давлением сил гравитации начало процесс сжатия.
В разных районах сжатие происходило неравномерно. Где оно было более сильным, возникали звезды. Постепенно это гигантское облако начало вращаться вокруг центра, и чем выше становилась скорость, тем форма облака становилась более плоской, пока галактика не превратилась в диск. Позже образовались ядро, рукава и все остальные части системы.
По одной из моделей развития Вселенной, наша галактика через 4 миллиарда лет может быть поглощена Большим и Малым Магеллановыми Облаками. Их, в свою очередь, через 5 миллиардов лет поглотит галактика Андромеды
Читайте также
- Галактики их виды
- Скопления галактик и космические пустоты
- Видимые и невидимые галактики
Поделиться ссылкой
Сколько лет Млечному Пути?
Млечный Путь — это огромная спиральная галактика диаметром около 100 000 световых лет, в которой находится более 100 миллиардов звезд. Уже давно известно, что Млечный Путь — очень древняя галактика, и по большинству оценок ее возраст составляет 10 миллиардов лет.
Однако благодаря телескопу под названием Gaia у астрономов теперь есть самое точное измерение возраста Млечного Пути. Как оказалось, он намного старше, чем считалось ранее. Теперь данные свидетельствуют о том, что Млечный Путь начал формироваться около 13 миллиардов лет назад, или примерно через 800 миллионов лет после Большого взрыва.
Определение возраста галактики
Сгенерированное компьютером изображение того, как Млечный Путь может выглядеть снаружи
Определение возраста Млечного Пути может показаться легкой задачей. В конце концов, нельзя ли просто определить возраст самых старых звезд и исходить оттуда? Хотя самые старые звезды могут дать некоторые подсказки о возрасте нашей галактики, есть некоторые факторы, которые следует учитывать.
Например, самые старые звезды могут предшествовать образованию самой галактики, или они могли образоваться за пределами нашей галактики и просто быть втянутыми гравитацией. Или, возможно, они были частью другой галактики, слившейся с Млечным Путем миллиарды лет назад. Кроме того, трудно узнать точный возраст звезд, и не всегда возможно определить возраст некоторых звезд. Эти факторы затруднили определение истинного возраста Млечного Пути, поскольку они просто дают любые погрешности измерения, которые слишком высоки, чтобы быть точными. Однако есть более точный способ определить возраст Млечного Пути.
Астрономы искали звезды, которые приближаются к концу своего жизненного цикла, называемые субгигантами.
Субгиганты содержат гораздо больше элементов, возраст которых можно определить точнее, и, таким образом, возраст субгигантов можно рассчитать гораздо точнее, чем у большинства звезд. Однако субгигантские звезды в Млечном Пути довольно редки, поэтому астрономы использовали телескоп Gaia, чтобы найти их как можно больше. В итоге исследователи обнаружили более 200 000 субгигантов, возраст которых можно было измерить с высокой точностью. Наблюдения за всеми этими субгигантскими звездами показали, что самым старым участкам Млечного Пути около 13 миллиардов лет.
Эволюция Млечного Пути
Глубокое поле Хаббла показывает некоторые из самых старых известных галактик во Вселенной. Возраст некоторых галактик на этом изображении составляет 12 миллиардов лет. Изображение предоставлено: НАСА/ЕКА.
Gaia смогла не только определить, когда начал формироваться Млечный Путь, но и составила карту эволюции нашей галактики, определив возраст различных регионов.
Выяснилось, что самая молодая область галактики, называемая тонким диском, сформировалась около 6 миллиардов лет назад. Между тем, самая древняя область, называемая толстым диском, сформировалась около 13 миллиардов лет назад. Эти наблюдения показали, что наша галактика намного старше предыдущих оценок.
Эйдан Ремпл 30 сентября 2022 г. в Science
Сколько лет Млечному Пути?
eso0425 — Научный выпуск
VLT Наблюдения бериллия в двух старых звездах Часы начала
17 августа 2004 г. Чили) пролили новый свет на самую раннюю эпоху галактики Млечный Путь. Первое в мире измерение содержания бериллия в двух звездах шарового скопления (NGC 6397) — подтолкнув современные астрономические технологии к пределу — сделал возможным изучение ранней фазы между формированием первого поколения звезд в Млечном Пути и формированием этого звездного скопления. Установлено, что этот временной интервал составляет 200-300 миллионов лет.
Возраст звезд NGC 6397, определенный с помощью моделей звездной эволюции, составляет 13 400 ± 800 млн лет. Сложение двух временных интервалов дает возраст Млечного Пути 13 600 ± 800 миллионов лет. Наилучшая в настоящее время оценка возраста Вселенной, полученная, например, из измерений космического микроволнового фона, составляет 13 700 миллионов лет. Таким образом, новые наблюдения указывают на то, что первое поколение звезд в галактике Млечный Путь сформировалось вскоре после окончания «темных веков», длившихся около 200 миллионов лет, которые последовали за Большим взрывом.
Возраст Млечного Пути
Сколько лет Млечному Пути? Когда зажглись первые звезды в нашей галактике? Правильное понимание формирования и эволюции системы Млечный Путь имеет решающее значение для наших знаний о Вселенной. Тем не менее, связанные с этим наблюдения являются одними из самых сложных, даже с помощью самых мощных доступных телескопов, поскольку они предполагают детальное изучение старых, удаленных и в основном слабых небесных объектов.
Шаровые скопления и возраст звезд
Современная астрофизика способна измерить возраст некоторых звезд, то есть время, прошедшее с момента их образования в результате конденсации в огромных межзвездных облаках газа и пыли. Некоторые звезды очень «молодые» по астрономическим меркам, им всего несколько миллионов лет, как в соседней туманности Ориона. Солнце и его планетная система образовались около 4560 миллионов лет назад, но многие другие звезды сформировались гораздо раньше. Некоторые из древнейших звезд Млечного Пути находятся в крупных звездных скоплениях, в частности в «Шаровые скопления» (фото для прессы ESO eso0425), названные так из-за их сфероидальной формы.
Звезды шарового скопления родились вместе, из одного облака и в одно и то же время. Поскольку звезды разных масс эволюционируют с разной скоростью, возраст шаровых скоплений можно измерить с достаточно хорошей точностью. Установлено, что самым старым из них более 13 миллиардов лет.
Тем не менее, эти звезды скопления не были первыми звездами, сформировавшимися в Млечном Пути. Мы знаем это, потому что они содержат небольшое количество определенных химических элементов, которые, должно быть, были синтезированы в более раннем поколении массивных звезд, взорвавшихся как сверхновые после короткой и энергичной жизни. Обработанный материал отложился в облаках, из которых образовались следующие поколения звезд, ср. Пресс-релиз ESO eso0107.
Несмотря на интенсивные поиски, до сих пор не удавалось найти менее массивные звезды этого первого поколения, которые могли бы сиять и сегодня. Следовательно, мы не знаем, когда образовались эти первые звезды. Пока мы можем только сказать, что Млечный Путь должен быть старше самых старых звезд шарового скопления. Но насколько старше?
Бериллий на помощь
Поэтому астрофизики хотели бы иметь метод измерения временного интервала между образованием первых звезд в Млечном Пути (многие из которых быстро стали сверхновыми) и моментом, когда звезды в сформировались шаровые скопления известного возраста.
Сумма этого временного интервала и возраста этих звезд будет тогда возрастом Млечного Пути.
Новые наблюдения с помощью VLT в обсерватории ESO Паранал привели к прорыву в этом направлении. Волшебный элемент — «Бериллий»!
Бериллий — один из самых легких элементов [2] — ядро самого распространенного и стабильного изотопа (бериллий-9) состоит из четырех протонов и пяти нейтронов. Только водород, гелий и литий легче. Но хотя эти три элемента образовались во время Большого взрыва, а большинство более тяжелых элементов образовались позже в недрах звезд, бериллий-9может быть произведен только «космическим расщеплением». То есть путем фрагментации быстро движущихся более тяжелых ядер, возникающих при упомянутых взрывах сверхновых и именуемых энергичными «галактическими космическими лучами», при их столкновении с легкими ядрами (в основном протонами и альфа-частицами, т. е. ядрами водорода и гелия) в межзвездная среда.
Галактические космические лучи и бериллиевые часы
Галактические космические лучи путешествовали по раннему Млечному Пути, направляемые космическим магнитным полем.
Полученное в результате производство бериллия было довольно равномерным в пределах галактики. Количество бериллия со временем увеличивалось, поэтому он может действовать как «космические часы».
Чем больше времени прошло между образованием первых звезд (или, вернее, их быстрой гибелью при взрывах сверхновых) и образованием звезд шарового скопления, тем выше было содержание бериллия в межзвездной среде, из которой они были сформированы. Таким образом, если предположить, что этот бериллий сохраняется в звездной атмосфере, то чем больше бериллия содержится в такой звезде, тем больше временной интервал между образованием первых звезд и этой звезды.
Таким образом, бериллий может предоставить нам уникальную и важную информацию о продолжительности ранних стадий Млечного Пути.
Очень сложное наблюдение
Пока все хорошо. Теоретические основы этого метода датирования были разработаны в течение последних трех десятилетий, и все, что необходимо, — это измерить содержание бериллия в некоторых звездах шарового скопления .
Но это не так просто, как кажется! Основная проблема в том, что бериллий разрушается при температуре выше нескольких миллионов градусов. Когда звезда движется к светящейся гигантской фазе, начинается бурное движение (конвекция), газ в верхних слоях звездной атмосферы вступает в контакт с горячим внутренним газом, в котором весь бериллий разрушен, и начальное содержание бериллия в звездной атмосфере составляет таким образом, значительно разбавлен. Поэтому для использования бериллиевых часов необходимо измерить содержание этого элемента в менее массивных, менее проэволюционировавших звездах шарового скопления. И эти так называемые «звезды выключения (TO)» по своей природе тусклые.
На самом деле, техническая проблема, которую необходимо решить, состоит из трех частей: во-первых, все шаровые скопления находятся довольно далеко, и поскольку звезды, которые нужно измерить, по своей природе тусклые, они кажутся довольно тусклыми на небе. Даже в NGC6397, втором ближайшем шаровом скоплении, звезды TO имеют визуальную величину ~16, или в 10000 раз слабее, чем самая слабая звезда, видимая невооруженным глазом.
Во-вторых, в звездном спектре видны только две сигнатуры бериллия (спектральные линии), и, поскольку эти старые звезды действительно содержат сравнительно мало бериллия, эти линии очень слабые, особенно по сравнению с соседними спектральными линиями других элементов. И в-третьих, две линии бериллия находятся в малоизученной области спектра с длиной волны 313 нм, т. е. в ультрафиолетовой части спектра, на которую сильно влияет поглощение в земной атмосфере вблизи отсечки на 300 нм, ниже которой наблюдения с земли уже невозможны.
Поэтому неудивительно, что такие наблюдения никогда не проводились раньше, технические трудности были просто непреодолимыми.
VLT и UVES делают свое дело
Использование высокоэффективного спектрометра UVES на 8,2-метровом телескопе Kuyen Очень большого телескопа ESO в обсерватории Параналь (Чили), который особенно чувствителен к ультрафиолетовому излучению, команда ESO и итальянского астрономам [1] удалось получить первые достоверные измерения содержания бериллия в двух ТО-звездах (обозначенных как «А0228» и «А2111») шарового скопления NGC 639.
7 (Фото для прессы ESO eso0425). Расположенное на расстоянии около 7200 световых лет в направлении богатого звездного поля в южном созвездии Ара, оно является одним из двух ближайших звездных скоплений этого типа; другой — Мессье 4.
Наблюдения проводились в течение нескольких ночей в течение 2003 г. В общей сложности более 10 часов экспозиции каждой из звезд 16-й величины позволили VLT и UVES приблизиться к техническому пределу. Размышляя о техническом прогрессе, руководитель группы, астроном ESO Лука Пасквини , в восторге: «Всего несколько лет назад любое подобное наблюдение было бы невозможно и оставалось лишь мечтой астронома!»
Полученные спектры (фото для прессы ESO eso0425) слабых звезд показывают слабые следы ионов бериллия (Be II). Сравнение наблюдаемого спектра с серией синтетических спектров с разным содержанием бериллия (в астрофизике: «изобилие») позволило астрономам найти наилучшее соответствие и, таким образом, измерить очень малое количество бериллия в этих звездах: на каждый атом бериллия приходится около 2 224 000 000 000 атомов водорода.
Линии бериллия видны и у другой звезды того же типа, что и эти звезды, HD 218052, ср. Пресс-фото ESO eso0425. Однако она не является членом скопления, и ее возраст далеко не так хорошо известен, как возраст звезд скопления. Содержание бериллия в ней почти такое же, как и в звездах скопления, что указывает на то, что эта звезда поля родилась примерно в то же время, что и скопление.
От Большого Взрыва до наших дней
Согласно современным теориям расщепления, измеренное количество бериллия должно было накопиться в течение 200-300 миллионов лет. Итальянский астроном Даниэле Галли, еще один член команды, проводит расчеты: «Итак, теперь мы знаем, что возраст Млечного Пути намного больше, чем возраст этого шарового скопления — следовательно, нашей галактике должно быть 13 600 ± 800 миллионов лет. … Это первый раз, когда мы получили независимое определение этой фундаментальной ценности!».
В рамках заданных неопределенностей это число также очень хорошо согласуется с текущей оценкой возраста Вселенной, 13 700 миллионов лет, т.
е. времени, прошедшего с момента Большого Взрыва. Таким образом, оказывается, что первое поколение звезд в галактике Млечный Путь сформировалось примерно в то время, когда закончились «Темные века», которые, как теперь полагают, произошли примерно через 200 миллионов лет после Большого взрыва.
Казалось бы, система, в которой мы живем, действительно может быть одним из «основателей» галактического населения Вселенной.
Примечания
[1] Команда состоит из Luca Pasquini (ESO), Piercarlo Bonifacio (INAF-Osservatorio di Trieste, Italy), Sofia Randich и Daniele Galli Arctrios (INAF-Osservatorio di Osservator (INAF-Osservatorio di Trieste, Italy). , Флоренция, Италия) и Raffaele G. Gratton (INAF-Osservatorio di Padova, Италия).
[2] Интересно, что вторичные зеркала четырех телескопов VLT Unit сделаны из бериллия, чтобы сделать их максимально легкими, сохранив при этом необходимую жесткость. Каждое из четырех зеркал имеет диаметр 1,1 метра и весит около 50 килограммов.