9 Minutės
Nauji kompiuteriniai modeliai rodo, kad Paukščių Tako stebima padalijimas į dvi pagal cheminį sudėtį skirtingas žvaigždžių populiacijas — ilgą laiką laikytas unikaliu mūsų galaktikos praeities ženklu — gali atsirasti keliais skirtingais evoliucijos keliais. Vietoje vieno dramatiško įvykio, žvaigždžių susidarymo protrūkių derinys, besikeičiantys dujų pritekėjimo režimai ir metalais skurdus aplinkgalaktikinis dujų sluoksnis (CGM) gali suformuoti tą patį dvigubą cheminį modelį.
Ši nuotrauka vaizduoja dujų diską kompiuterinėje Auriga programos simuliacijoje, imituojančioje Paukščių Tako tipo galaktiką. Spalvos rodo magnio (Mg) ir geležies (Fe) santykį: centrinė galaktikos dalis (rožinė) yra mažiau prisotinta magnio, o išorinės sritys (žalia) turi daugiau Mg. Tokie cheminiai raštai suteikia svarbių užuominų apie tai, kaip susiformavo galaktika ir kokia buvo jos žvaigždžių susidarymo istorija.
Skleidžiant Paukščių Tako cheminį susiskaldymą
Ilgai trunkantis klausimas galaktikos astronomijoje yra vadinamasis cheminis bimodalumas: vietos žvaigždės, išsidėsčiusios pagal Mg/Fe santykį prieš Fe/H (geležies abundanciją), sudaro dvi aiškias, bet iš dalies susikertančias sekas. Kadangi magnis daugiausia syntetinamas trumpalaikių, masyvių žvaigždžių sprogimų (branduolinio žlugimo supernovų) metu, o geležis kaupiasi lėčiau per Ia tipo supernovas, Mg/Fe santykis yra jautrus galaktikos žvaigždžių susidarymo istorijos ir dujų tiekimo rodiklis. Šis santykis leidžia rekonstruoti, kada ir kokiu intensyvumu vyko žvaigždžių formavimasis bei kokia buvo aplinkos metalų sudėtis.
Tyrėjai iš Koso mokslų instituto Barselonos universitete (Institut de Ciències del Cosmos, ICCUB), kartu su kolegomis iš CNRS, panaudojo Auriga kosmologinių magneto-hidrodinaminių simuliacijų rinkinį, kad atkurtų Paukščių Tako tipo galaktikų augimą realistiškoje virtualioje Visatoje. Vykdami 30 skirtingų galaktikų simuliacijų, kuriose įvairavo susijungimų istorijos, dujų akrecijos spartos ir grįžtamojo ryšio fizika, mokslininkai galėjo patikrinti, ar dviguba cheminė seka reikalauja vienos vienintelės priežasties — pavyzdžiui, didelio susijungimo — ar tai natūralus galaktikų evoliucijos rezultatas.
Atsakymas: keli keliai. Daugelyje Auriga simuliacijų atsirado dvi atskiros Mg/Fe–Fe/H sekos be jokio vieno bendro užtaiso. Vietoje to, procesų mozaika — stiprūs, palyginti trumpalaikiai žvaigždžių susidarymo protrūkiai; pertraukos žvaigždžių formavime; pasikeitimai prikimštumo ir metalo kiekio dujose, patenkančiose į diską — gali suskaldyti galaktikos žvaigždes į du įvairiais lygiais skirtingus cheminius takus.
Toks rezultatas pabrėžia, kad cheminė dvimečė nebūtinai yra unikalus vienam praeities įvykiui skirtas įrašas, o greičiau sudėtingos galaktikos evoliucijos pasekmė, kurioje įsiterpia tiek vidaus procesai, tiek išoriniai dujų srautai. Tai turi reikšmės interpretacijai, kaip susieja cheminių diagramų formavimąsi su konkrečiais dinamikiniais įvykiais ar aplinkos pokyčiais.
Daugialypiai evoliuciniai keliai: žvaigždžių protrūkiai, dujų srautai ir CGM
Vienas nuoseklus modelis iš simuliacijų rodo, kad dviejų cheminių sekų forma ir atskirtis glaudžiai atspindi galaktikos žvaigždžių susidarymo laikotarpio eigą. Greitas, ankstyvas žvaigždžių susidarymo protrūkis pakelia Mg/Fe santykį, nes masyvios žvaigždės žūsta greitai ir prisotina taržvaigždinę terpę alpha elemento, tokio kaip magnis. Kai žvaigždžių susidarymo greitis vėliau sulėtėja ar sustoja, Ia tipo supernovos ir toliau prisideda prie geležies kiekio, lėtai mažindamos Mg/Fe ir formuodamos vėlesnėms žvaigždžių kartoms žemesnį Mg/Fe lygį.
Techniniai aspektai: branduolinio žlugimo (core-collapse) supernovos išmasyvių žvaigždžių gali įvykti per milijonus metų nuo gimimo, todėl jų metalų indėlis pasirodo ankstyvose kartose. Tuo tarpu Ia tipo supernovos, kilusios iš baltųjų nykštukių sistemos evoliucijos, turi laiko delsą — nuo kelių 10^8 metų iki kelių milijardų metų — todėl jų geležies indėlis atsiranda palaipsniui ir keičia Mg/Fe santykį laike. Tokie laiko skirtumai yra kertiniai interpretuojant Mg/Fe–Fe/H diagramas kaip chronologinius ir cheminius įrašus.
Kitas kelias į chemijos dvimečę yra pasikeitimas į galaktiką įtekėjusių dujų metaliniačiui. Jei diskas pradeda pritraukti daugiau metalais skurdesnių dujų iš aplinkgalaktikinio sluoksnio arba tolimų halo sričių, naujos žvaigždžių kartos gims su žemesniu bendru metalo lygiu ir skirtingais Mg/Fe santykiais nei ankstesnės populiacijos. Tokie metalų srautai gali pasikeisti dėl aplinkos sąlygų, didelių skales galaktikų asociacijų arba dėl to, kad galaktikos vėjo ištiesia ir vėliau grąžina dalį dujų.
Auriga modeliai rodo, kad vidiniai procesai (pvz., žvaigždžių formavimosi efektyvumas, grįžtamasis ryšys iš supernovų ir aktyvios galaktikų branduolio veiklos) kartu su išoriniais veiksniais (CGM metalų kiekis, srauto gausiomis kryptimis) gali sukurti dvi chemines sekas be būtino vieno dramatiško susidūrimo. Tai atveria platesnį interpretacijų spektrą, kaip gamtos jėgos formuoja cheminių diagramų ypatumus.
Be to, realiose galaktikose darosi svarbu atsižvelgti ir į žvaigždžių bei dujų radialinį migravimą: žvaigždės gali persikelti nuo savo formavimosi vietos, sumaišydamos chemijos ir sudarydamos ilgesnį ryšį tarp centro ir disko kraštų. Tokie dinamika susieja chemines sekas su kinematikos požymiais, todėl vien cheminė analizė be amžiaus ir judėjimo informacijos gali būti nepakankama tiksliam praeities įvykių išskyrimui.
Todėl galima suformuluoti kelių tipų scenarijus, visi galintys suformuoti panašius cheminius pėdsakus: (1) ankstyvas intensyvus protrūkis, po kurio sekantis nusistovėjimas; (2) periodiški žvaigždžių formavimosi ciklai su pertraukomis ir atsistatymu; (3) ilgalaikis ar staigus metalais skurdžių CGM srautų įtekėjimas; arba (4) jų deriniai kartu su vidiniais migracijos mechanizmais ir grįžtamuoju ryšiu. Auriga simuliacijos palaiko mintį, kad visi šie mechanizmai gali sukurti dvigubas chemines sekas nepriklausomai vienas nuo kito.
Toks supratimas kelia iššūkį idėjai, kad Paukščių Tako dvimečė būtų vienareikšmiškas įrodymas apie konkretų susidūrimą — pvz., Gaia–Sausage–Enceladus (GSE) įvykį, kuriam priskiriama mažos palydovinės galaktikos susidūrimas su mūsų Galaktika ankstyvoje jos istorijoje. Nors GSE įtaka Paukščių Tako kinematikai ir tam tikroms žvaigždžių populiacijoms tikriausiai buvo reikšminga, simuliacijos rodo, kad GSE tipo susidūrimas nėra būtinas cheminio bimodalumo atsiradimui. Metalais skurdūs įplaukos iš CGM arba cikliška žvaigždžių formavimo veikla gali sukurti panašias chemines kryptis.
Stebimi testai ir naujos kartos teleskopai
Auriga simuliacijų prognozės yra laiku: naujos ir ateinančios observatorijos žymiai išplės žvaigždžių cheminį surašymą tiek Paukščių Take, tiek už jo ribų. James Webb kosminis teleskopas (JWST) bei kitos 30 metrų klasės žemės observatorijos suteiks galimybes detaliai tirti galaktikų žvaigždžių populiacijas spektroskopiškai, net ir arti esančiose mažesnėse galaktikose. Tokie instrumentai leis tirti elementų santykius, amžių ir cheminius raštus su didesne erdvine bei cheminėmis rezoliucijomis nei anksčiau.
Be to, planuojamos misijos, tokios kaip PLATO, suteiks tikslesnius žvaigždžių amžiaus įverčius per asteroseizmologiją, o konceptinės studijos, pavyzdžiui, Chronos, orientuotos į plataus lauko aukštos rezoliucijos spektroskopiją, gali suteikti amžiaus bei cheminės sudėties duomenis plačiose galaktikų populiacijose. Duomenų derinys — aukštos kokybės spektroskopija, tikslios fotometrijos, asteroseizmologija ir gausios kinematinės informacijos — leis testuoti, ar cheminis bimodalumas koreliuoja su tam tikromis galaktikos susijungimo istorijomis, CGM metaliniu užpildymu ar žvaigždžių protrūkiais.
Konkrečios strategijos stebėjimams gali apimti: didelio atskaitos mėginio aukštos rezoliucijos spektroskopiją skirtinguose radialiniuose disko atstumose, siekiant nustatyti, ar cheminės sekos išlaiko savo tapatumą skirtingose galaktikos dalyse; palyginamąją analizę tarp panašios masės spiralių (pvz., Andromedos) ir Paukščių Tako; bei laiko seka stebėjimus, siekiant susieti amžių pasiskirstymą su cheminėmis savybėmis. Jei simuliacijos ir stebėjimai sutaps, tai suteiks aiškesnį žemėlapį tarp Mg/Fe–Fe/H diagramų ir konkrečių evoliucinių epizodų — galingą įrankį rekonstrukcijai tolimesnių galaktikų praeities.
Taip pat svarbu plėtoti metodus, kurie vienu metu atlieka cheminių elementų įvertinimus, amžiaus datavimą ir kinematiką. Tik tokia integruota analizė leis atskirti, ar dvi cheminės sekos kilo dėl to paties įvykio (pvz., didelio susijungimo) ar iš skirtingų šaltinių pokyčių, tokių kaip CGM įplaukos ir vidaus žvaigždžių formavimo variacijos.
Eksperto įžvalga
„Auriga simuliacijos pabrėžia, kad galaktikos nėra įpareigotos vienam evoliucijos scenarijui“, — sako dr. Aisha Rahman, astrofizikė, specializuota cheminės evoliucijos tyrimuose. „Dviejų takų cheminiai raštai yra kaip pirštų antspaudai: naudingi, bet ne unikalūs. Kombinuodami žvaigždžių cheminių elementų analizę su amžiaus nustatymu ir kinematika, galime pradėti skaityti įvykių seką, suformavusią galaktiką.“
Tokia ekspertų interpretacija skatina platesnį požiūrį į cheminius duomenis: ne tik kaip į vieną įvykį atspindintį ženklą, bet kaip į daugiavektorinį įrašą, kurį turime dekonstruoti įvairiomis instrumentų ir metodų kombinacijomis. Toks požiūris taip pat didina informacijos vertę, kurią suteikia platesnio masto galaktikos tyrimai ir tarpusavyje suderinti stebėjimai.
Išvados
Vietoje vienos atsakymo lentelėje, Paukščių Tako cheminis bimodalumas atrodo kaip natūralus įvairių evoliucinių procesų rezultatas. Auriga simuliacijos aiškiai parodo, kad žvaigždžių susidarymo istorija, dujų įtekėjimo metalinis užpildymas ir aplinkgalaktikinės aplinkos savybės gali visi kartu arba atskirai suformuoti dvi atskiras chemines sekas. Ateities teleskopai ir plataus masto apklausos bus kritiškai svarbūs šių prognozių patikrinimui ir atsakymo radimui į klausimą, kaip dažnas — arba retas — mūsų Galaktikos cheminis modelis yra Visatoje.
Galiausiai, supratimas, kad cheminis bimodalumas gali būti daugialypių priežasčių rezultatas, plečia mūsų galimybes interpretuoti kitų galaktikų istorijas pagal jų chemines diagramos, o kartu pabrėžia poreikį naudoti integruotą duomenų rinkinį: chemiją, amžių, kinematiką ir aplinkos metrikas. Tai leis išvystyti patikimesnę, platesnę ir subtilesnę galaktikų evoliucijos istorijų rekonstrukciją nei vienados paaiškinimai, grindžiami tik vienu mechanizmu.
Šie rezultatai ne tik stiprina Auriga simuliacijų vaidmenį kaip platformos testuoti hipotezes apie galaktikų cheminių savybių kilmę, bet ir nubrėžia tyrimų kryptis, kurios bus prioritetinės artėjančiose observacijose: aukštos rezoliucijos spektroskopija, tiksli žvaigždžių amžiaus datacija ir plataus masto kinematiniai tyrimai, skirti atskirti vienodus cheminius ženklus sukurtas skirtingų mechanizmų.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą