Космический телескоп Гайя только начинает пробу своего научного оборудования, но проект уже приносит плоды за счет использования наземных телескопов. Направленный на изучение звезд Млечного пути, этот проект должен открыть нам историю нашей галактики, главными элементами которой являются, конечно, звезды. И хотя из космоса наблюдать за звездами удобнее, на Земле также есть свои преимущества – размеры телескопов, в частности, Очень большого телескопа Европейской южной обсерватории. С его помощью удалось восстановить распределение звезд по возрастам в Млечном пути за счет поиска химических элементов, рождающихся в звездах особенно быстро. Это – легкие элементы, такие как магний. Определяя его количество в разных областях галактики, можно оценить их возраст. В результате оказывается, что внутренние регионы Млечного пути – самые старые в галактике. После образования центральной части наша спиральная галактика начала приобретать свою современную форму, отращивая рукава.

Сразу после Большого взрыва во Вселенной были практически только водород и гелий, к ним примешивалось лишь незначительное количество лития. Первые звезды-гиганты рождались из этих элементов. Они быстро расходовали все топливо, образуя при этом более тяжелые элементы, и взрывались сверхновыми. В этих взрывах рожденные при термоядерном синтезе элементы выбрасываются в космос, и следующие поколения звезд уже содержат продукты жизнедеятельности предыдущих. Таким образом, чем меньше химических элементов содержит звезда, тем она старее. «Разные химические элементы, из которых состоят звезды, планеты, и даже мы, создаются с разной скоростью. Некоторые рождаются в огромных, короткоживущих звездах, а некоторых – в солнцеподобных светилах, ведущих активную жизнь в течение миллиардов лет», – говорит первый автор исследования, сотрудник Института астрономии Кембриджа  Джерри Гилмор.

Звезды-гиганты, в конце жизни падающие к центру и рождающие взрыв сверхновой, после которого остаются нейтронная звезда или даже черная дыра, производят огромное количество магния в предсмертных судорогах. Эти звезды оказали особое влияние на внутренние части Млечного пути. Светила, находящиеся внутри орбиты Солнца, период которой составляет 250 миллионов лет, содержат большое количество магния. При этом рассматривались звезды, имеющие небольшое содержание тяжелых элементов, а значит, имеющие преклонный возраст. Звезды, находящиеся дальше от центра галактики, чем Солнце, имеют в своем составе меньше магния, причем это относится как к богатым тяжелыми элементами светилам, так и к небогатым ими. Содержание магния в них также не согласуется с общим содержанием тяжелых элементов – металлов, которыми астрономы окрестили все элементы, кроме гелия и водорода.

Это наблюдение указывает на разные пути эволюции внутренних и внешних областей Млечного пути. Ближе к центру звезды рождались намного быстрее, в основном в начале жизненного пути галактики, тогда как во внешних регионах этот процесс затянулся. Такая ситуация подтверждает роль темной материи в эволюции галактик. Ближе к центру, где повышается плотность темной материи, ее скопления притягивают молекулярный газ, из которого рождаются звезды. В результате образуются очаги звездообразования, ускоряющие процесс превращения резервуаров газа в звезды. Во внешних областях газ дольше уплотняется, имея меньше центров притяжения, и потому звезды рождаются дольше. В настоящее время в центре галактики звездообразование практически прекратилось, тогда как в спиральных рукавах оно еще продолжается, хотя здесь сыграли роль столкновения с другими галактиками, обогащающие Млечный путь газом. Эта ситуация является типичной для всех спиральных галактик.

Это исследование также проливает свет на вопрос двойной структуры Млечного пути, имеющего тонкий и толстый диски. Тонкий диск содержит спиральные рукава, молодые звезды, огромные молекулярные облака – все объекты, возраст которых невелик по меркам Млечного пути. Этот диск удалось наблюдать, тогда как его собрат – толстый диск, включающий старые звезды с малым содержанием металлов – пока только теоретически предсказан.

В исследовании были прочно установлены следующие факты. Звезды в молодом, тонком диске имеют возраст до 8 миллиардов лет. Несмотря на такой разброс по возрастам, содержание металлов в них примерно одинаковое, и в основном они богаты тяжелыми элементами. Для звезд старше 9 миллиардов лет наблюдается падение содержания металлов с увеличением возраста, и в любом случае все такие звезды небогаты металлами. Тем не менее, в обоих дисках можно найти звезды любого возраста и содержания металлов.

Разумеется, галактика не может представлять собой четко разделенную структуру, так что звезды разных типов можно встретить где угодно. Тем не менее, можно выделить типичные звезды, которые преобладают в разных областях, и на основе этого определить два диска. Для обоих можно предположить разные пути эволюции. Так, внутренняя часть, богатая старыми звездами, могла образоваться в результате действия сильных гравитационных возмущений – прохода рядом другой крупной галактики, действия темной материи; а могла родиться при частых столкновениях с другими галактиками, обогащавшими зародыш Млечного пути как готовыми звездами, так и материалом для их образования. Для выяснения подобных эволюционно-галактических вопросов был создан проект, объединяющий Очень большой телескоп и орбитальную обсерваторию Гайя. Первый должен проводить исследование химического состава звезд за счет наличия спектрометра, второй – измерять их положение и скорости, чтобы точно нанести на карту нашей галактики.