Созданный астрономом КФУ «Cluster» помог отыскать звездные скопления-близнецы в разных галактиках

Российские ученые исследовали шаровые звездные скопления Млечного пути и двух сферических карликовых галактик.
Они показали, что в галактиках, совершенно разных по размерам, форме и эволюции, имеются практически идентичные скопления звезд. Результаты исследования опубликованы в журнале в статье Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
Изучение одних из самых старых объектов галактик – шаровых звездных скоплений, возраст которых – от 10 до 14 миллиардов лет, помогает лучше понять, как происходила эволюция звезд, шел процесс формирования галактик и уточнить возраст и химические свойства Вселенной. Считается, что эти напоминающие сферу скопления, содержащие до 1000 000 звезд, образовались из той же реликтовой материи, из которой появились галактики. Звезды в шаровых скоплениях содержат в сотни и тысячи раз меньше тяжелых химических элементов, чем в окрестностях Солнца. Это означает, что они намного старше, к примеру, Солнца и большинства других объектов, доступных для нашего изучения. В настоящую эпоху образуются только рассеянные скопления звезд, которые менее массивны. Это связано с тем, что сейчас осталось намного меньше свободного газа, чем на первом этапе формирования галактик. Он богат тяжелыми элементами, то есть непрозрачен, и давление излучения при конденсации газопылевого облака раздирает его.

«Исследуя массивные шарообразные системы, состоящие из сотен тысяч звезд, объединенных гравитационным полем, мы можем «заглянуть» на ранние этапы жизни галактик и узнать, каким был тогда их химический состав, физические и динамические свойства», – отметил доцент кафедры астрономии и космической геодезии Института физики КФУ, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Рентгеновская астрономия» САЕ «Астровызов» Владислав Шиманский, который является главным создателем программного комплекса «Cluster», предназначенного для анализа спектров шаровых звездных скоплений.

«Идея проанализировать спектры излучения звездных скоплений возникла 15 лет назад у старшего научного сотрудника Специальной астрофизической обсерватории РАН Маргариты Шариной, выпускницы Казанского университета, – сказал Владислав Владимирович. – Дело в том, что шаровые звездные скопления, как правило, находятся в миллионах световых лет от Земли, поэтому наблюдать отдельные звезды в них практически невозможно. Такие исследования проводятся только для скоплений нашей галактики с применением крупнейших телескопов. Однако полная светимость скоплений намного больше, чем отдельных звезд, что позволяет выполнить для них тот же анализ, который мы проводим для звезд галактики. В результате в тысячи раз расширяется объем местной Вселенной, где мы можем корректно определить физические характеристики звезд, их химический состав и возраст».

Основная проблема, по словам астронома, заключалась в том, чтобы научиться моделировать и анализировать спектр излучения шарового звездного скопления:

«Мы должны построить его математическую модель, определить его «классовый состав», то есть число звезд разных типов, и рассчитать спектры их излучения. К счастью, характеристики звезд в скоплениях не являются случайными, а подчиняются строгим закономерностям, определяемым их эволюцией, возрастом и химическим составом. Рассчитывая подобные закономерности, можно сильно упростить задачу, и моделировать спектры не сотен тысяч, а лишь сотен специально отобранных сигнальных звезд. Но даже такая задача долгое время казалась нерешаемой, так как требовала огромных вычислительных мощностей и знания параметров десятков миллионов спектральных линий, неизвестных еще 15 лет назад».

Однако к началу текущего десятилетия в мире начали наблюдения многие крупные телескопы, обеспечившие ученых спектрами сотен внегалактических скоплений, а физики определили недостающие атомные данные.

«Поэтому мы все же решили создать программный комплекс «Cluster» для моделирования спектров скоплений. Вначале один расчет он делал несколько суток, и мы не надеялись, что будем применять его для анализа наблюдений. Но в последние годы научные центры России (в том числе КФУ и САО РАН) получили мощные кластеры для многопоточных вычислений, и комплекс «Cluster» стал пусть очень мощным, но доступным инструментом изучения наблюдаемых спектров. Как выяснилось позднее, коллеги из Великобритании и Германии действовали параллельно с нами и чуть позже создали аналогичные программы. Это убеждает нас в правильности выбранного метода», – объяснил В.Шиманский.

С 2012 года ученые исследовали шаровые звездные скопления в нашей Галактике и выработали методику их анализа, а позже перешли к изучению сферических карликовых галактик ККS 3 и ESO 269-66, которые в своих центрах имеют сверхмассивные скопления. Астрономы предполагали, что шаровые скопления в нашей гигантской галактике Млечный путь и в карликовых должны сильно отличаться, так как различны параметры и эволюция материнских галактик. Результат оказался неожиданным.

«Наша задача заключалась в том, чтобы определить фундаментальные характеристики скоплений в разных галактиках. Выяснилось, что они идентичны как по своим динамическим свойствам (по массе, радиусу, дисперсии скоростей звезд), так и по химическим. Было показано, что в других галактиках есть шаровые скопления аналогичные нашим. Этот факт требует корректировки наших взглядов на рождение и жизнь таких скоплений, которые слабо зависят от эволюции материнских галактик. Кроме того, оказывается, шаровые скопления самостоятельно развиваются, испытывая несколько вспышек звездообразования. Сейчас мы проверяем эти выводы, исследуя скопления в знаменитой галактике Туманность Андромеды», – резюмировал Владислав Шиманский.