Чи стала Чумацький Шлях жертвою перевороту диска мільярди років тому?

Чумацький Шлях — це давня галактика, в якій перші зірки з'явилися незабаром після Великого вибуху. Протягом своєї довгої історії вона зазнала численних змін, включаючи злиття з іншими галактиками та поглинання менших. Спостереження за космосом підтверджують, що ми можемо бачити численні приклади злиття та взаємодії галактик. Відновлення історії Чумацького Шляху, включаючи злиття та інші події, є важливим для розуміння нашої галактики та, в більш широкому сенсі, інших галактик.

Не все в Чумацькому Шляху зрозуміло. Незважаючи на значний науковий прогрес в астрономії за останні кілька десятиліть, деякі його характеристики залишаються загадковими. Однією з таких загадок є структура його диска, яка складається з двох окремих дискових структур, що обертаються з різними швидкостями.

Основна маса зірок галактики зосереджена в спіральному диску, або тонкому диску, тоді як навколо нього розташований великий і менш щільний диск, відомий як зоряний гало або товстий диск. Зірки цього гало спочатку виникли в інших галактиках, але були поглинуті Чумацьким Шляхом під час злиттів. Місія ESA Gaia спостерігала мільярди зірок у Чумацькому Шляху та виявила, що товстий диск обертається значно повільніше, ніж тонкий диск.

Ця схема показує основні особливості Чумацького Шляху, включаючи обидва його диски. Зображення: RJHall, CC BY-SA 3.0.

Астрономи активно намагаються зрозуміти причини цього феномену. Оскільки зірки товстого диска є старішими, біднішими на метали та рухаються по ексцентричним або більш випадковим, хаотичним орбітам, вони свідчать про минулі злиття. Щоб дослідити зв'язок між повільним обертанням рідко населеного гало та давніми злиттями, команда дослідників використала симуляції. Вони представили свої результати на Національній астрономічній конференції Королівського астрономічного товариства в Бірмінгемі.

"Оскільки ми живемо всередині Чумацького Шляху, ми можемо вивчати його детальніше, ніж будь-яку іншу галактику, що робить його ключовою лабораторією для розуміння галактик загалом." - Кирило Батраков, університет Дарема.

Дослідники на чолі з Кирилом Батраковим, астрономом з університету Дарема, використовували симуляції Auriga. Ці симуляції є набором космологічних зум-симуляцій, спрямованих на розуміння формування галактик. Вони враховують чорні діри, наднові, темну матерію та гравітацію, починаючи незабаром після Великого вибуху. Симуляції Auriga створюють послідовності наукових знімків, які показують, як події в історії галактики сформували структури, які ми спостерігаємо сьогодні.

Дослідники змоделювали 25 галактик, подібних до Чумацького Шляху, і дали симуляціям працювати протягом мільярдів років.

"Спостереження Gaia виявили, що зоряне гало Чумацького Шляху має слабке чисте обертання приблизно 10-20 км/с, але походження цього обертання залишається нез'ясованим," - зазначають дослідники у своєму анотації. "Мотивовані цим відкриттям, я досліджував обертання зоряних гало в діапазоні червоного зсуву 0-2.5 в Auriga – наборі магнітогідродинамічних космологічних зум-симуляцій галактик, подібних до Чумацького Шляху."

Цей діапазон червоного зсуву охоплює приблизно останні 11 мільярдів років, тому кожна симуляція починалася з галактики, подібної до Чумацького Шляху, приблизно через 2-3 мільярди років після Великого вибуху. Цей період також включає еру пікового космічного зореутворення, відомого як "космічний полудень" приблизно в діапазоні z ≈ 1-3. Він також охоплює більшість великих злиттів, які зазнають ці галактики.

Симуляції, які відтворили повільно обертове зовнішнє гало Чумацького Шляху, мали три спільні риси: вони сформувалися раніше, зазнали злиття, подібного до злиття Чумацького Шляху з Gaia-Enceladus-Sausage, і пережили подію перевороту диска.

"Ми вже знаємо, що Чумацький Шлях зазнав масового фронтального зіткнення в минулому з галактикою, відомою як Gaia-Sausage-Enceladus (часто просто званою Gaia Sausage). Тому ми вважаємо, що диск Чумацького Шляху, ймовірно, перевернувся в минулому," - пояснив Батраков, провідний дослідник проекту.

"Переворот диска також означає, що більшість зірок Чумацького Шляху колись рухалися по дуже різних траєкторіях, ніж сьогодні – можливо, навіть наше Сонце, що означає, що наше 'стабільне' місце в галактиці могло не бути таким стабільним протягом усього життя Сонячної системи," - додав Батраков.

Наша позиція всередині Чумацького Шляху створює певні труднощі в його вивченні. Однак це також працює на нашу користь. Місія ESA Gaia змінила наше розуміння Чумацького Шляху, вимірюючи мільярди зірок галактики, що неможливо досягти в такій же мірі в інших галактиках.

"Виявлення перевороту диска додає нову главу до цієї історії, яку ми повинні враховувати, розміщуючи Чумацький Шлях в більш широкому контексті інших галактик." - Кирило Батраков, університет Дарема.

"Оскільки ми живемо всередині Чумацького Шляху, ми можемо вивчати його детальніше, ніж будь-яку іншу галактику, що робить його ключовою лабораторією для розуміння галактик загалом," - зазначив Батраков. "Виявлення перевороту диска додає нову главу до цієї історії, яку ми повинні враховувати, розміщуючи Чумацький Шлях в більш широкому контексті інших галактик. Найбільш захоплює те, що цю складну історію можна реконструювати лише на основі сучасних спостережень."

Результати також свідчать про щось важливе щодо темного гало Чумацького Шляху. "Ці результати свідчать про те, що Чумацький Шлях, ймовірно, зазнав перевороту диска в своїй історії формування, і що його темне гало, ймовірно, обертається відносно повільно," - пишуть автори.

Це свідчить про зв'язок між двома явищами. Зоряне гало могло еволюціонувати разом з темним гало, оскільки Чумацький Шлях продовжував поглинати менші галактики протягом своєї історії, як це відбувається зараз з Магеллановими хмарами та карликовою галактикою Стрілець.

Інші дослідження також підтримують сценарій перевороту диска. У статті, опублікованій в журналі Astronomy and Astrophysics у 2025 році, зосереджуються на темному гало Чумацького Шляху та використовують дані Gaia для його розуміння. "Ми знаходимо попередні свідчення того, що темне гало Чумацького Шляху скручено, що узгоджується з вирівнюванням з диском у внутрішніх регіонах r ≲ 20 кпк, і стає вертикально орієнтованим у зовнішніх регіонах, що узгоджується з передбаченням сценарію перевороту диска," - зазначають вони.

Реальність життя всередині величезної галактики, яка еволюціонувала протягом мільярдів років, містить сотні мільярдів зірок, зазнала злиттів і перевернула свій диск, не впливає на наше повсякденне життя. Але це реальність, і інтелектуальна цікавість спонукає нас зрозуміти її. Кожен, хто насолоджується науковою подорожжю до розуміння нашої рідної галактики, повинен віддати належне місії ESA Gaia, яка революціонізує наше розуміння Чумацького Шляху.