Диск Млечного Пути сперва быстро истончался, потом медленно

Подробно

Что именно обнаружили астрономы?

Учёные сравнили, как далеко от плоскости Галактики расположены звёзды разного возраста. Мерой служила масштабная высота: она показывает, на какой высоте над плоскостью плотность звёзд заметно падает. Это не полная толщина диска, поэтому цифры в пересказах о толщине в световых годах - лишь упрощённый пересчёт.

У самых старых звёзд масштабная высота уменьшилась более чем с 1,26 кпк (около 4100 световых лет) примерно до 0,5 кпк (около 1600 световых лет) всего за 2 млрд лет. После перелома истончение стало постепенным. Для только что образовавшихся звёзд модель даёт 0,12 ± 0,02 кпк, то есть около 400 световых лет.

Центральные оценки скоростей различаются примерно в 49 раз: 1,88 кпк за млрд лет в ранний период и 0,038 ± 0,004 кпк за млрд лет в поздний. Но у ранней скорости большая погрешность: +1,38/-0,83 кпк за млрд лет.

Как учёные определили возраст звёзд и толщину диска?

Работа опирается на каталог Gaia DR3, который Европейское космическое агентство опубликовало 13 июня 2022 года. Он содержит астрометрию и фотометрию около 1,8 млрд источников. Это анализ готовых данных, а не новое наблюдение древней Галактики и не чисто компьютерное моделирование.

Авторы подогнали диаграммы «цвет - звёздная величина» под синтетические звёздные популяции из библиотеки моделей BaSTI-IAC. Так они восстановили возраст и металличность звёзд, то есть содержание в них элементов тяжелее гелия. Звёзды сгруппировали в популяции схожего возраста и состава. Возрастное разрешение лучше 5%, для самых старых популяций это около 0,5 млрд лет.

Использовали две выборки: «холодную» в цилиндре радиусом менее 250 пк вокруг Солнца и «горячую» радиусом менее 750 пк. Горячая выборка содержит звёзды с большим разбросом скоростей. По оценке авторов, звёзд гало там менее 10%. Для каждой популяции восстановили вертикальный профиль плотности с поправками на неполноту выборки, а зависимость высоты от возраста описали двумя прямыми с переломом. Положение перелома подбиралось самой подгонкой.

Общие значения для всей выборки близки к привычным: 0,88 ± 0,04 кпк для горячей и 0,27 ± 0,01 кпк для холодной. Традиционные оценки для толстого и тонкого дисков - около 0,9 и 0,3 кпк.

Что значит рост диска «вверх ногами»?

В сценарии upside-down formation старые звёзды толстого диска рождались уже в геометрически толстом, турбулентном газовом слое. Потом газ остывал и оседал, и новые поколения звёзд формировались в более тонком слое. Авторы считают, что большие высоты древнейших популяций - не просто итог долгого динамического нагрева, а структурный след ранней сборки Галактики.

Альтернатива - сначала тонкий диск, который позже «разогрелся»: гравитационные воздействия подбросили звёзды выше. По выводу статьи, вариант, где возрастная зависимость толщины создана только таким нагревом, становится существенно менее правдоподобным.

Ведущий автор Дэвид Мирабаль, преддокторский исследователь IAC и Университета Ла-Лагуны, заявил в пресс-релизе института:

Это первое ясное наблюдательное свидетельство в пользу одной из двух моделей раннего этапа жизни Галактики.

Это оценка заинтересованной стороны. Сама статья осторожнее: она сильно поддерживает сценарий «вверх ногами», но не исключает вклад нагрева.

Насколько надёжен результат и чего он не доказывает?

Измеряются нынешние вертикальные распределения звёзд, по ним реконструируется прошлое. Толщина газового диска 10-13 млрд лет назад напрямую не измерялась.

Выборки охватывают окрестность Солнца. Из статьи нельзя прямо заключить, что тот же перелом и те же скорости были на всех расстояниях от центра Галактики.

Для звёзд моложе примерно 10,8 млрд лет данные совместимы и с постепенным оседанием газа, и с позднейшим нагревом. Возможно, действовали оба процесса.

Для двух древнейших популяций из горячей выборки надёжно установлен лишь нижний предел масштабной высоты - более 1,26 кпк. При альтернативной разбивке популяций ранний наклон получается 0,74 (+0,48/-0,28) кпк за млрд лет, но двухрежимный характер и перелом около 10,7-10,8 млрд лет сохраняются.

Независимых комментариев учёных, не связанных с работой, в доступных материалах не найдено. Репликации результата пока нет.

Чем это связано с прежними исследованиями диска?

В октябре 2024 года Сян, Рикс и соавторы сообщили в Nature Astronomy, что дискообразная структура существовала уже у звёзд старше 13 млрд лет, а масштабная высота старого диска резко менялась с возрастом. Они допускали и рождение звёзд в более толстом диске, и последующий нагрев.

В препринте ChronoGal II (март 2025 года) та же коллаборация, что и в новой работе, показала: кинематически толстый диск преимущественно старше 10 млрд лет, а тонкий начал формироваться примерно 10 млрд лет назад. Новая статья развивает этот результат и измеряет, как масштабная высота зависит от возраста.

У авторов есть и открытый вопрос. Природа необычной старой металлобедной холодной популяции, обозначенной qMAM 2, рассматривается в отдельной работе Queiroz и соавторов, которая готовится.