Генеалогическое древо Млечного Пути

Галактики растут неспешно, пожирая при этом своих соседей. Используя компьютерные симуляции, исследователи проследили эволюционную историю нашего собственного Млечного Пути, в котором сотни миллиардов звезд. Это довольно приличные размеры для галактики такого типа, но наша не всегда была столь большой - как, впрочем, и любая другая в сегодняшней Вселенной.

Галактики медленно растут в течение миллиардов лет, в основном за счет слияния друг с другом. Млечный Путь тоже участвовал в этом насильственном присоединении, поглощая любую меньшую галактику, которая проходила мимо за более 10 млрд лет его истории. Группа исследователей нашла умный способ задокументировать слияния Млечного Пути, используя комбинацию данных шаровых скоплений и ряда компьютерных симуляций.

Шаровые скопления - это плотные кластеры старых красных звезд. Часть из них считаются остатками ядер галактик, проглоченных Млечным Путем в прошлом. Астрономы нанесли на карту более 150 таких скоплений и, отслеживая их движение через нашу галактику, а также характеристики (например, возраст и химический состав), они сумели проследить, какие скопления могли войти в нашу галактику в разное время.

Затем исследователи использовали компьютерное моделирование формирования галактик, которое учитывало поведение шаровых скоплений. Они изучили галактики типа Млечного Пути и настроили нейронную сеть ИИ, чтобы реконструировать историю слияния на основе нынешней популяции шаровых скоплений.

Карта слияний Млечного Пути, показывающая, когда различные другие галактики (с фантастическими названиями) столкнулись с нашей Фото: Д. Круйссен / Гейдельбергский университет

После настройки они вводили в модель реальные данные нашей галактики и получили наиболее правдоподобную историю слияния. Она показывает, когда другие галактики вошли в Млечный Путь.

В результате стала видна история насилия. Галактики меньшего размера с такими удивительными названиями, как Кракен и Секвойя, миллиарды лет назад слились с нашей галактикой.

Галактика Кракен, проглоченная Млечным Путем

Часть из них были достаточно большими, чтобы исказить Млечный Путь. Он восстановился после столкновения только через миллиард с лишним лет. Всего Млечный Путь претерпел около пяти слияний с галактиками, содержащими не менее 100 млн звезд, и еще десять с галактиками, содержащими их не менее 10 млн.

Поскольку у нас есть доказательства (в виде оставшихся шаровых скоплений) только пяти столкновений, эти симуляции показывают, как можно обнаружить еще больше обломков, летящих через нашу галактику.

Источник: universetoday.com

Радиоактивные элементы и обитаемость планет

На сегодняшний день астрономы подтвердили существование 4301 внесолнечной планеты в 3192 звездных системах, а еще 5650 кандидатов ожидают подтверждения. В ближайшие годы телескопы следующего поколения позволят напрямую наблюдать за многими из этих экзопланет и наложить более жесткие ограничения на их потенциальную обитаемость. Со временем это может привести к открытию на ряде из них жизни.

Согласно новому исследованию междисциплинарной группы ученых из Калифорнийского университета в Санта-Крусе (UCSC), радиоактивные элементы важны для определения обитаемости планеты. Поэтому в будущих исследованиях скалистых экзопланет следует искать конкретные изотопы, указывающие на присутствие долгоживущих элементов, таких как торий и уран.

На Земле внутренний нагрев, вызванный медленным распадом этих тяжелых радиоактивных элементов, приводит в движение тектонику плит, которая может быть необходима, чтобы поддерживать магнитное поле Земли. Оно защищает Землю от радиации, космических лучей и предотвращает разрушение нашей атмосферы. Вот почему охотники за экзопланетами и астробиологи считают, что магнитные поля могут иметь решающее значение для обитаемости.

Магнитное поле и электрические токи внутри и вокруг Земли создают сложные силы, которые оказывают неизмеримое влияние на повседневную жизнь Фото: ESA / ATG medialab

«Долгое время предполагалось, что внутреннее нагревание приводит в движение тектонику плит, которая вызывает круговорот углерода и геологическую активность, такую ​​как вулканизм, который создает атмосферу. А способность удерживать атмосферу связана с магнитным полем, которое также вызывается внутренним нагревом».
Профессор астрономии и астрофизики Натали Баталья (UCSC)

Круговорот углерода относится к процессу, при котором углекислый газ (CO2) добавляется в атмосферу в результате вулканической активности и изолируется в результате взаимодействия с различными минералами (что приводит к образованию карбонатов). Этот процесс важен для поддержания стабильной температуры в течение долгого времени, что обеспечивает возможность протекания сложных долгосрочных эволюционных процессов.

При отсутствии магнитного поля солнечный ветер может неуклонно разрушать атмосферу планеты. Именно это произошло на Марсе, где исчезновение его магнитного поля привело к потере большей части его атмосферы и выбросу поверхностных вод в космос. В результате он превратился в холодную, иссушенную и облученную планету.

A new study identifies internal heating from radioactive decay as a critical factor in a planet’s ability to generate a magnetic field and retain an atmosphere. Credit: Illustration by Melissa Weiss for UC Santa Cruz

На Земле магнитное поле является результатом конвекции в ее жидком внешнем ядре, которое своим вращением, противоположным вращению Земли, создает эффект динамо. Для его поддержания необходимы радиоактивные элементы, обеспечивающие внутренний нагрев за счет медленного распада.

«Мы поняли, что разные планеты накапливают разное количество этих радиоактивных элементов, которые в конечном итоге приводят в действие геологическую активность и магнитное поле. Итак, чтобы увидеть, что происходит, мы взяли модель Земли и увеличили и уменьшили количество внутреннего радиогенного производства тепла».
Фрэнсис Ниммо, профессор UCSC и ведущий автор исследования

Ученые обнаружили, что существует критический баланс, когда речь идет о радиоактивных элементах и ​​радиогенном нагреве. Слишком сильный, больше того, который испытывает Земля, привел бы к ряду негативных последствий для потенциальной обитаемости.

Поскольку торий и уран на Земле в основном находятся в мантии, их избыток может заставить мантию действовать как изолятор. Это помешало бы расплавленному внешнему ядру выделять достаточно тепла для поддержания конвективных движений. Слишком сильное радиогенное нагревание приведет к гораздо большей вулканической активности, что может вызвать события уровня исчезновения, а сишком слабое - не к вулканизму, а к геологически «мертвой» планете.

Схема некоторых известных близлежащих звезд. По оценкам, около 14 600 звезд находятся в 100 световых годах от Солнца Фото: Эндрю З. Колвин / Википедия

«Теперь, когда мы видим важные последствия изменения количества радиогенного нагрева, упрощенную модель, которую мы использовали, следует проверить с помощью более подробных расчетов».
Фрэнсис Ниммо

Слияние нейтронных звезд вызывает образование тяжелых элементов, таких как торий и уран, что случается крайне редко. Поэтому их наличие в околосолнечном диске, из которого формируются системы планет, будет зависеть от близости этих редких событий. Это привело бы к значительной вариабельности планетных систем.

Чтобы определить диапазон изменчивости, Ниммо и его коллеги обратились к проведенным астрономами измерениям европия близлежащих звезд. Этот элемент, который создается в результате тех же процессов, что и торий и уран, легко обнаружить в спектрах близлежащих звезд и можно использовать для определения того, насколько оба в них распространены.

Введя эти измерения в свои модели радиогенного нагрева, исследовательская группа Ниммо смогла установить ряд оценок радиоактивных элементов в близлежащих звездных системах. Земля и Солнечная система находятся в центре этого диапазона. При этом одни исследованные звезды имели вдвое меньше европия, чем Солнце, а другие -вдвое больше.

Телескоп Джеймса Уэбба НАСА предоставит больше информации о ранее обнаруженных экзопланетах Фото: НАСА

«Это сложная история, потому что обе крайности имеют значение для обитаемости. Для поддержания тектоники плит нужен достаточный радиогенный нагрев, но не настолько сильный, чтобы отключить магнитное динамо. В конце концов, мы ищем наиболее подходящие жилища для жизни. Обилие урана и тория, по-видимому, являются ключевыми факторами, возможно, даже еще одним измерением для определения планеты Златовласки ».
Натали Баталья

Важность и изменчивость радиогенного нагрева открывают много новых возможностей для исследований экзопланет и астробиологии. Во-первых, астрономы могут использовать спектроскопию для измерения содержания европия в звездах и делать выводы об уровне радиогенных элементов на любых планетах, вращающихся вокруг них. Космические инструменты следующего поколения, такие как телескоп Джеймса Уэбба, прекрасно подходят для этой задачи.

Источник: universetoday.com

Столкновения нейтронных звезд и черные дыры

В принципе, создать черную дыру с определенной звездной массой несложно. Просто надо подождать, пока большая звезда достигнет конца своей жизни, и наблюдать, как под собственным весом ​​разрушается ее ядро, которое при масе больше 2-3 солнц, станет черной дырой. Если ядро объекта меньше 2,2 солнечной массы, то он превратится в нейтронную звезду, а меньше 1,4 - родится белый карлик.

Если пара нейтронных звезд столкнется и сольется в объект с более чем критическим пределом, образуется черная дыра. Но что такое предел?

Новое исследование попыталось ответить на этот вопрос. Команда провела несколько компьютерных симуляций, показавших слияние нейтронных звезд. Выяснилось, что критический предел зависит не только от общей массы двух звезд, но и от их внутренней структуры, что пока еще не совсем понятно.

Нейтронная звезда. Иллюстрация кваркового ядра Фото: Юрки Хокканен

Все, что внутри нейтронной звезды, описывается уравнением состояния ядерной материи, например, насколько она жесткая и насколько хорошо проводит тепло. Предложено несколько уравнений состояния со слегка отличающимися свойствами. Поэтому команда смоделировала слияния с помощью ряда таких уравнений.

Исследователи обнаружили, что если внутренняя часть нейтронной звезды относительно эластична или «мягка», то даже слияние небольших нейтронных звезд породит черную дыру. Но если она более жесткая, звезды не рухнут в черную дыру. Они создадут большую нейтронную звезду, та начнет вращаться с чудовищной скоростью и сможет противостоять гравитационному коллапсу. Одним из критических факторов, определяющих результат, является то, распадутся ли нуклоны на кварки во время столкновения.

LIGO-Virgo. Иллюстрация слияния нейтронных звезд Фото: Фрэнк Элавски

LIGO и Virgo так и не смогли в 2017 году сказать, какой объект получился, когда слились нейтронные звезды. Со временем подобных слияний станет больше и можно будет определить критический предел для создания черной дыры и какое уравнение состояния лучше всего описывает недра нейтронных звезд.

Источник: universetoday.com

Астрономы впервые увидели рождение магнетара

Магнетары экстремальны во всех отношениях. Необычный сигнал из глубины космоса впервые показал, как возник один из них.

22 мая орбитальной обсерваторией Swift зафиксировано необычное событие: свет очень яркой килоновой достиг Земли. В наблюдениях участвовали и другие телескопы, в том числе знаменитый «Хаббл», показывающий ближний инфракрасный диапазон, в котором вспышка оказалась рекордсменом по яркости, в десять раз превосходившим все ожидания.

Это была самая яркая вспышка сливающихся нейтронных звезд, которую когда-либо наблюдали астрономы. Команда Вэнь-фая Фонга из Северо-Западного университета в Эванстоне предполагает в Astrophysical Journal, что это были признаки рождения магнетара.

Килоновая - особая форма нейтронных звезд - характеризуется чрезвычайно интенсивным магнитным полем, которое в миллиарды раз сильнее земного. Когда столкнулись две нейтронные звезды, вначале произошел огромный всплеск гамма-излучения, а затем было длительное послесвечение, охватившее весь электромагнитный спектр, - килоновая.

Фото: NASA/ESA

Астрономы заметили инфракрасный сигнал, который они интерпретируют как первое доказательство возникновения магнетара. Событие, получившее название GBR 200522A, было значительно мощнее всех других известных килоновых, особенно в этом инфракрасном диапазоне.

«Я могу сосчитать по пальцам на моих руках все килоновые, которые были обнаружены по коротким всплескам гамма-излучения. Однако эта была в десять раз ярче, чем все другие».
Вэнь-фай Фонг

Причиной могло быть лишь образование магнетара. Когда пара нейтронных звезд сблизилась, они слились в более тяжелый объект, заряженное ядро ​​которого чрезвычайно быстро вращалось. Поэтому, согласно принципу динамо, возникли сверхсильные магнитные поля магнетара, которые заставляли возбужденые килоновой частицы светиться еще ярче.

В качестве альтернативы команда Фонга могла бы рассматривать только два варианта. Во-первых, «обратную ударную волну», когда две волны от килоновой могли выплеснуться друг на друга, что при известных условиях имитировало бы новорожденный магнетар. Во-вторых, распадающиеся радиоактивные частицы, движущие килоновую, могли заставить GRB 200522A сиять ярче, чем ожидалось.

Однако исследовательская группа в значительной степени исключает оба сценария и полагает, что в будущем телескопы должны обращать внимание на радиоизлучение объекта, чтобы точно определить его природу.

Источник: spektrum.de

Почему Марс все еще продолжает высыхать?

Ученые обнаружили, что некогда влажный Марс и сейчас сбрасывает воду в космос. Вопреки предыдущим предположениям, молекулы H2O переносятся в верхние слои его атмосферы. Там они распадаются, и молекулярный водород улетает в космос. Об этом свидетельствуют данные зонда НАСА MAVEN, согласно которым, сезонные эффекты и пыльные бури переносят воду на большую высоту.

Сегодня Марс - это морозная пустынная планета, но теперь точно известно, что наш сосед, как и Земля, был полон жидкой воды, однако в ходе своей эволюционной истории потерял большую часть своей живительной влаги. Сегодня ее остатки образуют ледяные шапки на полюсах, небольшие количества воды есть под землей и в разреженной атмосфере. За миллиарды лет большая часть ее была расщеплена УФ-излучением на водород, который затем мог буквально легко улететь в космос.

По следам потери воды

Исходя из наличия водорода в верхних слоях атмосферы, этот процесс и сегодня высушивает Марс. Однако модель происходящего показывает, что вода превращается в водород только в нижних атмосферных слоях, а лишь потом поднимается в верхние. Предполагалось, что молекулы H2O не могут подняться выше определенных значений, поскольку затем они кристаллизуются и вновь опускаются вниз. Это явление называется гигропаузой. Как показывают результаты исследователей, возглавляемых Шейном Стоуном (Shane Stone) из Университета Аризоны в Тусоне, на Марсе ярко выраженной гигропаузы больше нет.

 

Результаты основаны на оценке данных зонда НАСА MAVEN, который, вращаясь вокруг Марса, регулярно погружается в верхние слои его атмосферы. При этом анализатор может регистрировать концентрацию веществ, включая молекулы H2O. Исследователям удалось обнаружить воду на удивительно большой высоте: около 160 км над поверхностью планеты. Там молекулы воды очень быстро разрушаются ионами, а образующийся при этом атомарный водород затем теряется в космосе.

Особенно иссушают Марс пыльные бури

Степень увеличения водяного пара связана на нашем воинственном соседе с сезоном и пыльными бурями. По сравнению с Землей, он вращается вокруг центральной звезды по несколько более эллиптической орбите. Поэтому южное полушарие Марса оказывается летом ближе всего к Солнцу. За это время его поверхность максимально нагревается, что, видимо, связано с усилением мобилизации воды.

Исследователи следят за потерей воды на красной планете. Фото: Petmal / iStock

По мнению ученых, ежегодные региональные штормы, а также крупные глобальные пыльные бури, которые циркулируют по планете примерно каждые десять лет, еще больше нагревают атмосферу и увеличивают в 20 раз перенос воды в самые верхние слои атмосферы. Только одна такая 45-дневная буря, выбрасывает в космос такое же количество воды, какое Марс потерял бы за спокойный год.

Потеря атмосферы и выброс воды в космос - одна из основных причин того, что Марс сегодня холодный и сухой по сравнению с теплой и влажной Землей, считает Стоун. Этот процесс, возможно, сыграл важную роль в высыхании планеты. Когда исследователи прогнозировали данные за последний миллиард лет, они пришли к выводу о значительной потере воды:

«Если бы мы взяли воду, удаленную в результате сезонного процесса, и равномерно распределили ее по всей поверхности Марса, возник бы глобальный океан глубиной около 44 см. Эффект глобальных штормов добавило бы дополнительно около 17 см».
Шейн Стоун

Однако, как подчеркивают исследователи, неясно, какую роль этот процесс сыграл в общей потере воды на нашей соседней планете, та как эффект гигропаузы Марса мог раньше быть сильнее из-за его более плотной атмосферы.

«До того, как начался процесс, который мы описываем, должна была произойти значительная утечка атмосферы в космос. Мы должны еще точнее выяснить последствия этого процесса и момент, когда он начал действовать».
Шейн Стоун

Источник: wissenschaft.de

Солнечная система создавалась менее 200 000 лет

Самые старые из уже датированных твердых тел возникли в Солнечной системе менее чем за 200 000 лет. Об этом свидетельствуют включения метеоритов, богатые кальцием и алюминием. По этим включениям видна вся фаза развития системы нашей центральной звезды: от молекулярного облака до образования Солнца.

Вещество, из которого состоит Солнце и остальная часть Солнечной системы, породил коллапс большого облака газа и пыли. Астрономические наблюдения за молодыми звездными объектами показывают, что такому облаку требуется 1-2 млн лет, чтобы коллапсировать в звезду, образовав звездную систему.

Международная группа исследователей, возглавляемая планетологами (Вестфальский Вильгельмский университет, Мюнстер) обнаружила, что с момента образования Солнечной системы минуло свыше 4,5 млдр лет, а сформировалась она менее чем за 200 000 лет.

Первые твердые вещества, образовавшиеся в Солнечной системе, - это включения в метеоритах, имеющие размеры от микрометра до сантиметра, богатые кальцием и алюминием. Со времени их формирования прошло 4,567 млрд лет, а продолжался этот процесс примерно 40-200 тыс. лет.

Художественное изображение протопланетного диска молодой звезды, где формируются планеты Фото: ESO / L. Кальсада

Исследование показало, что большая часть материала, из которого состоит Солнце и Солнечная система, накапливалась быстро. В это же время были сформированы твердые тела, самые старые из уже датированных, а процесс их образования длился менее 200 000 лет.

Исследовательская группа определила изотопный состав молибдена и микроэлементов различных включений углеродистых хондритов. Место образования этих примитивных метеоритов - внешняя Солнечная система.

Включения содержат весь спектр материала первых дней Солнечной системы, в частности протопланетного газо-пылевого диска, из которого были сформированы планеты. А поскольку ученые знают, когда и сколько времени потребовалось для формирования включений, это дает им способ датирования временного периода, в течение которого сформировалось Солнце.

Если сравнить время, потребовавшееся для рождения Солнечной системы и человека, то соотношение покажет, что беременность продлится не девять месяцев, а всего около двенадцати часов. Отсюда вывод: образование Солнца и Солнечной системы было относительно быстрым.

Источник: astronews.com

Есть ли минералы, светящиеся в ультрафиолете?

На первый взгляд этот сине-фиолетовый светящийся минерал кажется прибывшим к нам из иных миров. Но это вполне земной хакманит - минерал, светящийся в ультрафиолете.

Флуоресценция основана на эффекте света: если высокоэнергетическое излучение, например УФ-свет, попадает на атом или молекулу, то часть его энергии может быть поглощена электронами вещества. В результате они ненадолго перепрыгивают на более дальнюю орбиту, но вскоре возвращаются на прежнюю и снова высвобождают избыточную энергию в виде флуоресцентного света. Как правило, он обладает немного меньшей энергией, чем испускавшийся ранее. Именно поэтому обычно невидимый ультрафиолетовый свет снова становится для нас видимым.

Это явление более подробно исследовала международная группа Мики Ластусаари из Университета Турку с помощью минерала хакманита. Он встречается в Афганистане, Гренландии, Канаде, Пакистане и при нормальном освещении бывает незаметного серого цвета. Однако в УФ-свете он сияет сине-фиолетовыми оттенками.

Хакманит - минерал, светящийся в ультрафиолете Фото: Мика Ластусаари

Ученых особенно интересовало, какие компоненты вызывают флуоресценцию этого природного минерала. У многих других она зависит от ионов, которые интегрированы в кристаллическую решетку и чьи электроны особенно легко возбудить. Например, встречающиеся в природе кристаллы апатита обязаны своим свечением, среди прочего, ионам марганца и редкоземельных металлов.

С помощью экспериментов с УФ-светом и расчетов исследователи определили также компоненты, которые придают хакманиту на этой фотографии его яркий цвет. Выяснилось, что решающую роль в этом играют ионы железа, калия, серы, титана.

В итоге ученые смогли разработать синтетический материал, который флуоресцирует значительно дольше, чем хакманит. Полученные результаты будут использоваться в будущем и для разработки лучших синтетических веществ, чем те, которые уже используются для светящихся знаков аварийного выхода.