De framtida omloppsbanorna för tre spiralgalaxer:vår Vintergatan (blå), Andromeda, även känd som M31 (röd), och Triangulum, även känd som M33 (grön). Cirkeln indikerar den aktuella positionen för varje galax, och deras framtida banor har beräknats med hjälp av data från den andra utgåvan av ESA:s Gaia-uppdrag. Vintergatan visas som ett konstnärsintryck, medan bilderna av Andromeda och Triangulum är baserade på Gaia-data. Pilar längs banorna indikerar den uppskattade riktningen för varje galaxs rörelse och deras positioner, 2,5 miljarder år in i framtiden, medan kors markerar deras beräknade position om cirka 4,5 miljarder år. Om cirka 4,5 miljarder år från nu, Vintergatan och Andromeda kommer att göra sin första nära passage runt varandra på ett avstånd av cirka 400 000 ljusår. Galaxerna kommer sedan att fortsätta att röra sig närmare varandra och så småningom smälta samman för att bilda en elliptisk galax. Den linjära skalan på 1 miljon ljusår hänvisar till galaxens banor; galaxbilderna är inte i skala. Kredit:Orbits:E. Patel, G. Besla (University of Arizona), R. van der Marel (STScI); Bilder:ESA (Vintergatan); ESA/Gaia/DPAC (M31, M33)
ESA:s Gaia-satellit har tittat bortom vår galax och utforskat två närliggande galaxer för att avslöja stjärnrörelserna inom dem och hur de en dag kommer att interagera och kollidera med Vintergatan – med överraskande resultat.
Vår Vintergatan tillhör en stor samling galaxer som kallas den lokala gruppen och, tillsammans med galaxerna Andromeda och Triangulum – även kallade M31 och M33, respektive – utgör majoriteten av gruppens massa.
Astronomer har länge misstänkt att Andromeda en dag kommer att kollidera med Vintergatan, helt omforma vårt kosmiska grannskap. Dock, de tredimensionella rörelserna för de lokala gruppgalaxerna förblev oklara, målar upp en osäker bild av Vintergatans framtid.
"Vi behövde utforska galaxernas rörelser i 3D för att avslöja hur de har växt och utvecklats, och vad som skapar och påverkar deras egenskaper och beteende, " säger huvudförfattaren Roeland van der Marel från Space Telescope Science Institute i Baltimore, USA.
"Vi kunde göra detta med hjälp av det andra paketet med högkvalitativ data som släpptes av Gaia."
Gaia bygger för närvarande den mest exakta 3D-kartan över stjärnorna i det närliggande universum, och släpper sina data i etapper. Uppgifterna från den andra utgåvan, gjord i april 2018, användes i denna forskning.
Tidigare studier av den lokala gruppen har kombinerat observationer från teleskop inklusive NASA/ESA rymdteleskop Hubble och den markbaserade Very Long Baseline Array för att ta reda på hur banorna för Andromeda och Triangulum har förändrats över tiden. De två skivformade spiralgalaxerna ligger mellan 2,5 och 3 miljoner ljusår från oss, och är tillräckligt nära varandra för att de kan interagera.
Två möjligheter dök upp:antingen är Triangulum på en otroligt lång sex miljarder år bana runt Andromeda men har redan fallit in i det tidigare, eller så är den för närvarande på sin allra första ingång. Varje scenario speglar en annan omloppsbana, och därmed en annan bildningshistoria och framtid för varje galax.
En hel himmelsvy av vår Vintergatans galax och närliggande galaxer, baserat på mätningar av nästan 1,7 miljarder stjärnor. Kartan visar tätheten av stjärnor som observerats av Gaia på varje del av himlen mellan juli 2014 och maj 2016. Ljusare områden indikerar tätare koncentrationer av stjärnor, medan mörkare områden motsvarar fläckar på himlen där färre stjärnor observeras. I motsats till ljusstyrkekartan i färg, som domineras av de ljusaste och mest massiva stjärnorna, den här vyn visar fördelningen av alla stjärnor, inklusive svaga och avlägsna sådana. Den ljusa horisontella strukturen som dominerar bilden är det galaktiska planet, den tillplattade skivan som är värd för de flesta stjärnorna i vår hemgalax, med det galaktiska centrumet i mitten. Det långsträckta draget som är synligt under det galaktiska centrumet och pekar i riktning nedåt är dvärggalaxen Sagittarius, en liten satellit från Vintergatan som lämnar en ström av stjärnor bakom sig som en effekt av vår galaxs gravitationsdragkraft. Denna svaga funktion är bara synlig i den här vyn, och inte i all-himlen kartan baserat på ljusstyrkan hos stjärnor, som domineras av ljusa källor. Mörkare områden över det galaktiska planet motsvarar förgrundsmoln av interstellär gas och stoft, som absorberar ljuset från stjärnor som ligger längre bort, bakom molnen. Många av dessa döljer stellar plantskolor där nya generationer av stjärnor föds. Utspridda över bilden finns också många klotformade och öppna hopar – grupperingar av stjärnor som hålls samman av sin inbördes gravitation, såväl som hela galaxer bortom vår egen. De två ljusa objekten i det nedre högra hörnet av bilden är de stora och små magellanska molnen, två dvärggalaxer som kretsar runt Vintergatan. Andra närliggande galaxer är också synliga, framför allt Vintergatans största galaktiska granne Andromeda galaxen (även känd som M31), ses i nedre vänstra delen av bilden tillsammans med dess satellit, triangulumgalaxen (M33). Ett antal artefakter är också synliga på bilden i form av böjda drag och mörkare ränder, men i mycket mindre utsträckning med avseende på Gaias första karta över himlen, som baserades på endast 14 månader av satellitens data. Dessa egenskaper är inte av astronomiskt ursprung utan speglar snarare Gaias skanningsprocedur, och kommer gradvis att försvinna när mer data samlas in under det femåriga uppdraget. Den andra Gaia-datareleasen offentliggjordes den 25 april 2018 och inkluderar positionen och ljusstyrkan för nästan 1,7 miljarder stjärnor, och parallaxen, korrekt rörelse och färg på mer än 1,3 miljarder stjärnor. Det inkluderar också den radiella hastigheten för mer än sju miljoner stjärnor, yttemperaturen på mer än 100 miljoner och andra astrofysiska parametrar på 70–80 miljoner stjärnor. Det finns också mer än 500 000 variabla källor, och positionen för 14 099 kända solsystemobjekt – de flesta av dem asteroider – inkluderade i releasen. Kredit:ESA/Gaia/DPAC, CC BY-SA 3.0 IGO
Medan Hubble har fått den skarpaste bilden någonsin av både Andromeda och Triangulum, Gaia mäter den individuella positionen och rörelsen för många av deras stjärnor med oöverträffad noggrannhet.
"Vi kammade igenom Gaia-data för att identifiera tusentals individuella stjärnor i båda galaxerna, och studerade hur dessa stjärnor rörde sig i sina galaktiska hem, " tillägger medförfattaren Mark Fardal, även från Space Telescope Science Institute.
"Medan Gaia främst syftar till att studera Vintergatan, den är tillräckligt kraftfull för att upptäcka särskilt massiva och ljusa stjärnor i närliggande stjärnbildande regioner – även i galaxer bortom vår egen."
Stjärnrörelserna som mäts av Gaia avslöjar inte bara hur var och en av galaxerna rör sig genom rymden, men också hur var och en roterar runt sin egen spinnaxel.
För ett århundrade sedan, när astronomer först försökte förstå galaxernas natur, dessa spin mätningar var mycket eftertraktade, men kunde inte genomföras framgångsrikt med de teleskop som var tillgängliga vid den tiden.
"Det krävdes ett så avancerat observatorium som Gaia för att äntligen göra det, säger Roeland.
"För första gången, vi har mätt hur M31 och M33 roterar på himlen. Astronomer brukade se galaxer som klustrade världar som omöjligen kunde vara separata "öar", men nu vet vi annat.
"Det har tagit 100 år och Gaia att äntligen mäta det sanna, mycket liten, rotationshastigheten för vår närmaste stora galaktiska granne, M31. Detta kommer att hjälpa oss att förstå mer om galaxernas natur."
En vy av Andromedagalaxen, även känd som M31, med mätningar av stjärnornas rörelser i galaxen. Denna spiralgalax är den närmaste stora granne till vår Vintergatan. Bakgrundsbilden, erhållen med NASA:s Galex-satellit vid nästan ultravioletta våglängder, belyser områden i galaxen där stjärnor bildas. Blå symboler markerar platserna för ljusa unga stjärnor som användes för att mäta galaxens rörelse, och gula pilar indikerar de genomsnittliga stjärnrörelserna på olika platser, baserat på data från den andra utgåvan av ESA:s Gaia-satellit. En moturs rotation av spiralgalaxens skiva är uppenbar. Precisionen i dessa mätningar förväntas förbättras med framtida Gaia-datasläpp. Kredit:ESA/Gaia (stjärnrörelser); NASA/Galex (bakgrundsbild); R. van der Marel, M. Fardal, J. Sahlmann (STScI)
Genom att kombinera befintliga observationer med det nya datasläppet från Gaia, forskarna bestämde hur Andromeda och Triangulum var och en rör sig över himlen, och beräknade omloppsbanan för varje galax både bakåt och framåt i tiden i miljarder år.
"Hastigheterna vi hittade visar att M33 inte kan vara på en lång bana runt M31, " säger medförfattaren Ekta Patel vid University of Arizona, USA. "Våra modeller antyder enhälligt att M33 måste vara på sin första ingång i M31."
Medan Vintergatan och Andromeda fortfarande är avsedda att kollidera och smälta samman, både timingen och destruktiviteten för interaktionen kommer sannolikt också att vara annorlunda än förväntat.
Eftersom Andromedas rörelse skiljer sig något från tidigare uppskattningar, galaxen kommer sannolikt att ge mer av ett blickande slag mot Vintergatan än en frontalkollision. Detta kommer inte att ske om 3,9 miljarder år, men i 4,5 miljarder – cirka 600 miljoner år senare än beräknat.
"Detta fynd är avgörande för vår förståelse av hur galaxer utvecklas och interagerar, " säger Timo Prusti, ESA Gaia-projektforskare.
"Vi ser ovanliga funktioner i både M31 och M33, såsom skeva strömmar och svansar av gas och stjärnor. Om galaxerna inte har träffats tidigare, dessa kan inte ha skapats av de krafter som kändes under en sammanslagning. Kanske bildades de via interaktioner med andra galaxer, eller av gasdynamik inom själva galaxerna.
"Gaia designades främst för att kartlägga stjärnor i Vintergatan - men den här nya studien visar att satelliten överträffar förväntningarna, och kan ge unika insikter om strukturen och dynamiken hos galaxer bortom vårt eget rike. Ju längre Gaia tittar på de små rörelserna av dessa galaxer över himlen, desto mer exakta kommer våra mätningar att bli."
