Скільки років Чумацькому шляху?

Спостереження міжнародної групи астрономів за допомогою спектрометра UVES на дуже великий телескоп ESO в Обсерваторії Паранал (Чилі) пролили нове світло на саму ранню епоху галактики Чумацький шлях.

Цей часовий інтервал склав 200 – 300 мільйонів років. Вік зірок у NGC 6397 (знімок кульового зоряного скупчення представлений нижче), становить 13 400 ± 800 мільйонів років. Додавання двох часових інтервалів дає вік Чумацького шляху 13 600 ± 800 мільйонів років.

На даний момент краща оцінка віку Всесвіту, як, наприклад, з вимірювань космічного мікрохвильового фону, становить 13 700 мільйонів років. Таким чином, нові спостереження вказують на те, що перше покоління зірок в галактиці Чумацький Шлях утворилося незабаром після закінчення «Темних століть» довжиною близько 200 мільйонів років, які пішли за Великим вибухом.

Епоха Чумацького Шляху

Правильне розуміння формування й розвитку системи Чумацького Шляху має вирішальне значення для знань про Всесвіт. Тим не менш, пов’язані спостереження є одними з найбільш складних, навіть з самими потужними телескопами, оскільки вони включають детальне вивчення старих, віддалених і в основному слабких небесних об’єктів.

Кульові скупчення і вік зірок

Сучасна астрофізика здатна вимірювати вік певних зірок, тобто час, що минув з моменту їх утворення в результаті конденсації у величезних міжзоряних хмарах газу і пилу. Деякі зірки дуже “молоді” в астрономічних термінах, їх вік всього кілька мільйонів років.

Сонце і наша Сонячна система, що включає планети, були сформовані близько 4560 мільйонів років тому, але багато хто інші зірки утворилися набагато раніше. Деякі з найстаріших зірок у Чумацькому Шляху знаходяться у великих зоряних скупченнях, зокрема в «кульових скупченнях», так званих з-за їх сфероидальной форми.

Зірки, що належать до кульового скупчення, народилися разом, з однієї і тієї ж хмари і в один і той же час. Оскільки зірки різної маси еволюціонують з різною швидкістю, можна вимірювати вік кульових скупчень з досить хорошою точністю. Відомо, що найстарішим з них більше 13 000 мільйонів років.

Тим не менше, ці зоряні скупчення не були першими зірками, які сформувалися в Чумацькому Шляху. Ми знаємо це, тому що вони містять невелику кількість певних хімічних елементів, які, мабуть, були синтезовані в більш ранньому поколінні масивних зірок, які вибухають як наднові після короткої і енергійною життя.

Незважаючи на інтенсивні пошуки, до цих пір не було можливості знайти менш масивні зірки цього першого покоління, які могли б все ще сяяти сьогодні. Отже, ми не знаємо, коли з’явилися перші зірки. Поки ми можемо тільки сказати, що Чумацький Шлях повинен бути старше, ніж самі старі зірки кульового скупчення. Але наскільки старше?

Берилій в допомогу

Астрофізики хотіли б навчитися вимірювати часовий інтервал між утворенням перших зірок у Чумацькому Шляху (з яких багато хто швидко стали надновими) і моментом утворення зірок в кульовому скупченні відомого віку. Сума цього тимчасового інтервалу і вік цих зірок будуть тоді віком Чумацького Шляху.

Нові спостереження з допомогою VLT Паранальской обсерваторії ESO тепер призвели до прориву в цьому напрямі. Чарівний елемент “Берилій”!

Відтворення області малих довжин хвиль спектральних даних, отриманих за допомогою спектрометра UVES на 8,2-метровому телескопі Куайена в Паранале цих зірок (угорі), разом з таким інший прилеглої зірки, HD 218502, польовий зірки, в якій берилієві лінії мають вигляд також видно (нижче). Ця зірка, однак, не є членом скупчення, і її вік недостатньо відомий. Досягнуті відношення сигнал/шум вказані. Найбільш відповідні синтетичні спектри показані у вигляді червоних крапок; в спектрі A2111 сині пунктирні лінії ілюструють точність підгонки – вони відповідають зміні вмісту берилію прибл. ± 50% (0,2 декс).

Берилій є одним з найбільш легких елементів – ядро самого поширеного і стабільного ізотопу (Берилій-9) складається з чотирьох протонів і п’яти нейтронів. Тільки водень, гелій і літій легше. Але в той час як ці три були утворені під час Великого вибуху, і в той час як більшість більш важких елементів були утворені пізніше всередині зірок. Берилій-9 може бути отриманий тільки “космічним розщепленням”.

Галактичні космічні промені і берилієві годинник

Галактичні космічні промені подорожували по всьому раннього Чумацькому Шляху, керуючись космічним магнітним полем. В результаті освіта берилію було досить рівномірним в галактиці. Кількість берилію збільшується з часом, і тому він може виступати в ролі «космічних годин».

Чим довше йшов час між утворенням перших зірок (або, вірніше, їх швидким зникненням при вибухах наднових) і утворенням зірок кульового скупчення, тим вище було зміст берилію в міжзоряному середовищі, з якої вони утворилися. Таким чином, якщо припустити, що берилій збережений в зоряній атмосфері, чим більше берилію знаходиться в такій зірці, тим більше проміжок часу між утворенням перших зірок і цієї зірки.

Тому Берилій може надати нам унікальну і важливу інформацію про тривалості ранніх стадій Чумацького Шляху.

Дуже складне спостереження

Основна проблема складного спостереження полягає в тому, що берилій руйнується при температурі вище кількох мільйонів градусів. Коли зірка розвивається в напрямку світиться гігантської фази, починається бурхливий рух (конвекція), газ у верхній зоряній атмосфері вступає в контакт з гарячим внутрішнім газом, в якому весь берилій зруйнований, і первісний зміст берилію в зоряній атмосфері таким чином, значно розбавлений.

Тому для використання берилієвих годин необхідно виміряти вміст цього елемента у менш масивних і менш розвинених зірок в кульовому скупченні.

Насправді технічна проблема, яку необхідно вирішити, складається з трьох частин:

1. По-перше, всі кульові скупчення знаходяться досить далеко, і оскільки вимірювані зірки за своєю природою слабкі, вони здаються досить слабкими на небі. Навіть у NGC6397, другому найближчому кульовому скупченні, зірки мають візуальну величину ~ 16 або в 10000 разів слабкіше, ніж сама слабка зірка, видима неозброєним оком.
2. По-друге, в зоряному спектрі видно тільки дві берилієві спектральні лінії, і оскільки ці старі зірки містять порівняно мало берилію, ці лінії дуже слабкі, особливо в порівнянні з сусідніми спектральними лініями від інших елементів.
3. І по-третє, дві берилієві спектральні лінії розташовані в маловивченою спектральній області на довжині хвилі 313 нм, тобто в ультрафіолетовій частині спектру, на яку сильно впливає поглинання в земній атмосфері поблизу кордону відсічення на 300 нм, нижче якої спостереження з землі більше не можливі.

VLT і UVES роблять свою роботу

Використовуючи високопродуктивний спектрометр UVES на 8,2-метровому телескопі Kuyen Дуже великого телескопа ESO в Паранальской обсерваторії (Чилі), який особливо чутливий до ультрафіолетового випромінювання, команді ESO та італійських астрономів вдалося отримати перші вимірювання вмісту берилію в двох зірок (позначених «A228» і «A2111») в кульовому скупченні NGC 6397.

Від Великого вибуху досі

Згідно найкращим сучасним теоріям розщеплення, виміряна кількість берилію повинно було накопичитися протягом 200 – 300 мільйонів років. Італійський астроном Даніеле Галлі, інший член команди, робить розрахунок: «Отже, тепер ми знаємо, що вік Чумацького Шляху набагато більше, ніж вік цього кульового скупчення – тому нашій галактиці повинно бути 13 600 ± 800 мільйонів років . Вперше ми отримали незалежне визначення цієї фундаментальної цінності! ».

В рамках цієї невизначеності це число також дуже добре узгоджується з поточною оцінкою віку Всесвіту, що становить 13 700 мільйонів років, тобто часу, що пройшов з моменту Великого вибуху.

Таким чином, представляється, що перше покоління зірок в галактиці Чумацький Шлях було сформовано приблизно в той час, коли закінчився «темні століття», який, як вважається, становить близько 200 мільйонів років після Великого вибуху.