Характерные спиральные рукава галактики Млечный Путь, вероятно, образовались в результате эпического столкновения между Млечным Путем и карликовой галактикой Стрельца, согласно исследователю Питтсбургского университета и его сотрудникам, опубликованному в журнале Nature.
Моделирование суперкомпьютера Кристофера У. Перселла, научного сотрудника с докторской степенью на кафедре физики и астрономии в Школе искусств и наук Питта, и его коллеги сообщают о своих выводах в статье под названием «Воздействие Стрельца как архитектор спирали и Внешние кольца Млечного Пути."
Эта статья впервые идентифицирует Стрельца как архитектора спиральной структуры нашего Млечного Пути. «Это новый и несколько неожиданный взгляд на то, почему галактика, в которой мы живем, выглядит именно так», - говорит Перселл.
«С космологической точки зрения это демонстрирует идею о том, что относительно небольшие столкновения, подобные этому, могут оказать существенное влияние на структуру галактик во всей Вселенной», - добавляет он. Эта идея предполагалась теоретически, но так и не была продемонстрирована.
Перселл сотрудничает с Калифорнийским университетом высокопроизводительного астрокомпьютерного центра (UC-HIPACC) Джеймсом С. Буллоком, Эриком Дж. Толлерудом и Мигелем Роча, все из Калифорнийского университета в Ирвине. Пятый соавтор - Суканья Чакрабарти из Атлантического университета Флориды.
В области космологии суперкомпьютерное моделирование является единственной лабораторией для научных экспериментов. С помощью суперкомпьютеров астрономы могут воссоздать мелкомасштабную симуляцию или модель отдаленных жестоких событий, которые происходили на протяжении миллиардов лет, и наблюдать за этой моделью в ускоренном времени, чтобы делать прогнозы, которые можно проверить реальными наблюдениями за Вселенной..
Выводы Перселла основаны на суперкомпьютерном моделировании, которое он провел для своей докторской диссертации в Калифорнийском университете в Ирвине и в лаборатории профессора физики и астрономии Питта Эндрю Зентнера.
Интересно, что моделирование Перселла показало, что даже более важным, чем звезды карлика Стрельца, был его ореол невидимой «темной материи», равной по массе всем звездам Млечного Пути.
Видимая материя составляет менее пяти процентов Вселенной, в то время как почти четверть Вселенной состоит из прозрачной темной материи. Его существование ощущается только через его гравитационное воздействие. Сейчас известно, что каждая галактика, включая Карлика Стрельца (до столкновения) и наш собственный Млечный Путь, находится в центре гигантского ореола темной материи, в несколько раз большего по радиусу и во много раз большей по массе.
«Когда вся темная материя попала в Млечный Путь, от 80 до 90 процентов ее было удалено», - говорит Перселл. Это первое столкновение - более двух миллиардов лет назад - вызвало нестабильность, которая быстро усилилась, в конечном итоге сформировав спиральные рукава и кольцевые структуры на окраинах нашей собственной галактики..
В своей диссертации Перселл сосредоточился на вопросе: какое влияние на Млечный Путь оказали неоднократные столкновения с карликом Стрельцом?
На протяжении последних нескольких десятилетий общепринятым мнением было то, что Млечный Путь был относительно невозмущен в течение последних нескольких миллионов лет. Какая бы спиральная структура ни существовала, эти рукава были всего лишь результатом изолированного развития диска Млечного Пути.
С тех пор, как был открыт карлик-Стрелец, астрономы пытались сопоставить обломки этой галактики с тем, что они видели во Вселенной. В 2003 году инфракрасные телескопы и суперкомпьютеры, которые отслеживали орбитальные движения своих звезд, показали, что карлик Стрельца на самом деле дважды сталкивался с Млечным Путем - один раз 1,9 миллиарда лет назад и еще раз 0.9 миллиардов лет назад.
«Но то, что эти столкновения сделали с Млечным Путем, вообще не было смоделировано», - говорит Перселл. «Наш был первым, кто попытался это сделать».
Исследователи обнаружили, что столкновение вызвало нестабильность - колебания плотности звезд - в плоском диске вращающегося Млечного Пути. Наша галактика вращается быстрее к своему центру, чем к краям, поэтому эти нестабильности были растянуты и сдвинуты, что привело к формированию спиральных рукавов.
Моделирование также показало, что удар породил кольцеобразные структуры, обнаруженные на краях нашей галактики.
Второе столкновение затронуло Млечный Путь в меньшей степени, породив лишь более мягкие и менее плотные спиральные волны, потому что карлик-Стрелец к тому времени потерял большую часть своей массы темной материи.
Без темной материи, удерживающей карликовую галактику вместе, ее видимые звезды начали разрываться под действием огромного гравитационного поля Млечного Пути и приливных сил.
"Доминирующая космология в астрофизике очень агрессивна в малых масштабах. Галактики, подобные Млечному Пути, постоянно подвергаются бомбардировке этими маленькими карликовыми галактиками. До нашей работы мы не понимали, насколько драматичными могут быть эти удары. находиться на самом звездном диске», - говорит Перселл. «Мы ожидали найти какие-то более тонкие признаки удара, подобного этому - блики на внешнем диске, как расклешенные джинсы. Мы ожидали увидеть некоторые легкие морфологические изменения в Млечном Пути. Но мы не ожидали увидеть спиральную форму. структура начинает проявляться в результате этих ударов. Это было то, чего мы не предвидели."
Действительно, Перселл и его сотрудники отложили публикацию на несколько месяцев, чтобы убедиться, что они понимают, почему они видят эти результаты. «Нам пришлось убедить себя, что мы не сошли с ума», - шутит он.
Сегодня длинные полосы звезд из расчлененной карликовой галактики изгибаются над Млечным Путем и вокруг него, и «прямо сейчас миллиарды и миллиарды частиц темной материи из карлика Стрельца падают на Землю», - сказал Перселл..«Тем временем само Солнце вращается вокруг центра Галактики Млечный Путь в сложной и все еще развивающейся системе множества спиральных рукавов».
Нам осталось всего несколько миллионов лет до третьего удара, говорит Перселл. Но как исследователи могут сказать?
«Мы можем сказать, когда смотрим в центр Млечного Пути», - говорит Перселл. «Сразу на противоположной стороне от нас мы можем видеть, как этот сгусток звезд врезается в южную сторону диска снизу. Мы можем измерить скорость этих звезд. Мы знаем, что карликовая галактика вот-вот раздавит диск… всего через 10 миллионов лет."
Центр высокопроизводительных астровычислений Калифорнийского университета (UC-HIPACC), базирующийся в Калифорнийском университете в Санта-Круз, представляет собой консорциум всех кампусов Калифорнийского университета, трех лабораторий Департамента энергетики (Лаборатория Лоуренса в Беркли, Ливерморская лаборатория Лоуренса и Национальная лаборатория Лос-Аламоса), а также Исследовательский центр Эймса НАСА.