Первое трехмерное изображение формирования и эволюции шаровых скоплений

Галерея изображений 16 шаровых скоплений, проанализированных в порядке различия в кинематических свойствах, наблюдаемых между множественными звездными популяциями. Автор: ESA/Hubble - ESO - SDSS

Исследование,опубликованное в журнале Astronomy & Astrophysics, знаменует собой важную веху в нашем понимании формирования и динамической эволюции множественных звездных популяций в шаровых скоплениях (сферических и очень компактных звездных агломератах, обычно населенных 1–2 миллионами звезд).

Это новаторское исследование, проведенное группой исследователей из Национального института астрофизики (INAF), Болонского университета и Университета Индианы, является первым, в котором выполнен 3D-кинематический анализ множественных звездных популяций для репрезентативной выборки из 16 шаровых скоплений в нашей галактике. Оно обеспечивает новаторское наблюдательное описание их кинематических свойств (т. е. того, как звезды движутся внутри шаровых скоплений) и их долгосрочной эволюции от формирования до наших дней.

Эмануэле Далессандро, научный сотрудник INAF в Болонье, ведущий автор статьи и координатор рабочей группы, поясняет: «Понимание физических процессов, лежащих в основе формирования и ранней эволюции шаровых скоплений, является одним из самых захватывающих и обсуждаемых астрофизических вопросов за последние 20–25 лет.

«Результаты нашего исследования предоставляют первое убедительное доказательство того, что шаровые скопления образовались в результате множественных событий звездообразования и накладывают фундаментальные ограничения на динамический путь, по которому скопления следовали на протяжении своей эволюции. Эти результаты стали возможны благодаря мультидиагностическому подходу и сочетанию современных наблюдений и динамического моделирования».

Исследование подчеркивает, что кинематические различия между несколькими популяциями являются ключом к пониманию механизмов формирования и эволюции этих древних структур.

С возрастом, который может достигать 12–13 миллиардов лет (то есть восходя к заре космоса), шаровые скопления являются одними из первых систем, образовавшихся во Вселенной. Они представляют собой типичную популяцию всех галактик. Это компактные системы (с массой в несколько сотен тысяч солнечных масс и размером в несколько парсеков), и их можно наблюдать даже в далеких галактиках.

Двумерные карты плотности звезд, выбранных в GC 47 Tuc для кинематического анализа. FP показаны на левой панели, а SP — на правой панели. На распределения плотности наложены наиболее подходящие эллипсы, полученные, как описано в разделе 4. Автор: Astronomy & Astrophysics (2024). DOI: 10.1051/0004-6361/202451054

«Их астрофизическое значение огромно, — говорит Далессандро, — потому что они не только помогают нам проверять космологические модели формирования Вселенной благодаря своему возрасту, но и предоставляют естественные лаборатории для изучения формирования, эволюции и химического обогащения галактик». Хотя шаровые скопления изучаются уже более века, последние результаты наблюдений показывают, что наши знания по-прежнему во многом неполны.

«Результаты, полученные за последние два десятилетия, неожиданно показали, что шаровые скопления состоят из более чем одной звездной популяции: первичной, с химическими свойствами, аналогичными другим звездам в галактике, и другой с аномальным химическим содержанием легких элементов, таких как гелий, кислород, натрий и азот», — говорит Марио Каделано, научный сотрудник кафедры физики и астрономии Болонского университета и сотрудник INAF, один из авторов исследования.

«Несмотря на большое количество наблюдений и теоретических моделей, направленных на характеристику этих популяций, механизмы, регулирующие их формирование, до сих пор не изучены».

Исследование основано на измерении 3D-скоростей, т. е. комбинации собственных движений и лучевых скоростей, полученных с помощью телескопа ESA Gaia и данных, полученных, в частности, с телескопа ESO VLT, в первую очередь в рамках обзора MIKiS (Multi Instrument Kinematic Survey), спектроскопического обзора, специально направленного на изучение внутренней кинематики шаровых скоплений. Использование этих телескопов, из космоса и с земли, предоставило беспрецедентный 3D-вид распределения скоростей звезд в выбранных шаровых скоплениях.

Анализ показывает, что звезды с различным содержанием легких элементов характеризуются различными кинематическими свойствами, такими как скорости вращения и орбитальные распределения.

«В этой работе мы подробно проанализировали движение тысяч звезд внутри каждого скопления», — добавляет Алессандро Делла Кроче, аспирант INAF в Болонье. «Быстро стало ясно, что звезды, принадлежащие к разным популяциям, обладают различными кинематическими свойствами: звезды с аномальным химическим составом, как правило, вращаются быстрее других внутри скопления и постепенно распространяются от центральных областей к внешним».

Интенсивность этих кинематических различий зависит от динамического возраста шаровых скоплений. «Эти результаты согласуются с долгосрочной динамической эволюцией звездных систем, в которых звезды с аномальным химическим содержанием формируются более централизованно и вращаются быстрее, чем стандартные.

«Это, в свою очередь, предполагает, что шаровые скопления образовались в результате множественных эпизодов звездообразования, и дает важную информацию для определения физических процессов и временных масштабов, лежащих в основе формирования и эволюции массивных звездных скоплений», — подчеркивает Далессандро.

Этот новый 3D-вид движения звезд в шаровых скоплениях обеспечивает беспрецедентную и захватывающую основу для формирования и динамической эволюции этих интригующих систем. Он также помогает прояснить некоторые из самых сложных тайн, окружающих происхождение этих древних структур.

Больше информации: E. Dalessandro et al, A 3D view of multiple populations' kinematics in Galactic globular clusters, Astronomy & Astrophysics (2024). DOI: 10.1051/0004-6361/202451054