Астрономы впервые предположили, что они могут восстановить миллиардную «историю жизни» галактики всего лишь по одному наблюдению. Этот новый метод называется «Внегалактическая археология». Исследовательская группа использует искусственный интеллект и «отпечатки пальцев» химических элементов внутри галактик, чтобы написать «биографии» галактик за пределами Млечного Пути, охватывающие возрастную шкалу Вселенной.

Соответствующее исследование было недавно опубликовано в журнале Nature Astronomy. Автор полагает, что эта работа, как ожидается, станет основой нового «полевого руководства» для понимания того, как галактики формируются, сливаются и развиваются на протяжении длительного космического времени. С этой целью исследователи начали с конкретного случая: анализа небольших различий в распределении кислородных элементов внутри спиральной галактики NGC 1365.

Вообще говоря, содержание кислорода самое высокое в центре галактики и постепенно уменьшается от центра к краям, что является типичным градиентом распределения этих более тяжелых элементов. Но если в этом градиенте наблюдаются аномальные колебания, это может означать, что в галактике произошли крупные «жизненные события»: такие как рождение новых звезд или черных дыр, взрывы сверхновых старых звезд или столкновения и слияния галактик.

Исследовательская группа построила около 20 000 симуляций эволюции различных типов галактик, охватывающих различные «боли», которые галактики могут испытывать во время своего роста, включая звездообразование, активность черных дыр, движение газа, эволюцию различных химических элементов и т. д., и создала полный «фон жизни» для этих смоделированных галактик. Затем команда использовала искусственный интеллект, чтобы сравнить эти смоделированные данные с фактически наблюдаемой NGC 1365, ища сценарии, которые точно соответствуют химическому отпечатку галактики, тем самым делая вывод о пути ее эволюции.

«Мы можем восстановить подробную историю роста спиральной галактики, основываясь только на ее нынешнем химическом отпечатке». Об этом в интервью Refractor рассказала Лиза Кьюли, первый автор статьи и директор Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики.

Анализ команды показывает, что центральная область NGC 1365 сформировалась в ранней Вселенной почти во время ее рождения 13,7 миллиарда лет назад, и на этом этапе вырабатывался кислород. В течение следующих примерно 12 миллиардов лет газ во внешних пределах галактики постоянно пополнялся за счет столкновений и слияний с карликовыми галактиками. Внешний газ постепенно накапливался и подталкивал галактику к росту. Эти слившиеся звезды карликовых галактик также принесли на внешние края новые источники материи.

Это всего лишь история одной галактики, а цель «внегалактической археологии» — восстановить «историю жизни» огромного числа галактик за пределами Млечного Пути. Исследователи надеются найти «ископаемые записи» этих галактик таким образом: хотя галактики не имеют скелетов, как жизнь на Земле, газ, пыль, звезды, структуры темной материи и т. д. внутри них оставили следы своей долгой эволюции, которые можно проследить.

В традиционных исследованиях астрономы обычно полагаются на «красное смещение», чтобы охарактеризовать расстояние и возраст галактик — чем более очевидно смещение спектра к красному концу, это означает, что галактика находится дальше и наблюдается более ранняя стадия развития Вселенной. Это связано с тем, что Вселенная в целом расширяется, и самые ранние галактики удаляются друг от друга с большей скоростью.

Красное смещение по-прежнему является важным инструментом для измерения возраста галактик, но «внегалактическая археология» пытается ответить на вопросы другого рода: как галактики сливались, обменивались газом и другими материалами на протяжении миллиардов лет и как эти процессы сформировали их такими, какими они являются сегодня. К счастью, сочетание новых технологий, таких как искусственный интеллект, крупномасштабное численное моделирование и телескопические наблюдения с высоким разрешением, постепенно сделало этот амбициозный путь исследований осуществимым.

По мнению Чули, NGC 1365 является идеальным случаем для проведения такого рода «археологических» исследований. «Это исследование показывает, что точное изображение кислорода внутри галактики, если его систематически сравнивать с тысячами смоделированных галактик, может значительно сузить возможные пути его эволюции», — сказала она.

Конечно, NGC 1365 — лишь одна из десятков миллиардов галактик во Вселенной. Исследователи подчеркнули, что следующим шагом будет применение одного и того же метода к большему количеству типов галактик и охватывание различных последовательностей слияний и эволюционных ветвей. Если все пойдет хорошо, они надеются в конечном итоге составить «полевой справочник по типичным галактикам»: так же, как увидев птицу на Земле, люди смогут не только описать ее текущие характеристики внешнего вида, но также сделать выводы об условиях ее роста и процессе эволюции. Астрономы также могут использовать «химический отпечаток» и структурный «внешний вид» галактики, чтобы сделать вывод, когда и как ее звезды и газ сошлись в том, чем они являются сегодня.

Чиули отметил, что как направление исследований, которое все еще находится в зачаточном состоянии, «внегалактическая археология» еще имеет множество областей, требующих совершенствования. «По мере того, как мы будем включать больше химических элементов, больше образцов галактик и проводить более сложные симуляции, этот метод станет более эффективным». Она сказала, добавив, что в долгосрочной перспективе исследовательская группа планирует использовать этот новый инструмент для лучшего раскрытия истории далеких галактик, не только для того, чтобы помочь людям понять эволюцию всей Вселенной, но и для того, чтобы дать нам более четкое понимание местоположения и происхождения нашей собственной галактики во Вселенной.