Любители астрономии восхищаются величиной галактик, а профессионалы задаются вопросом, почему галактики кажутся маленькими. Naked Science раскрывает загадку этого явления, а также рассказывает о том, что общего у галактики со снежным комом и бачком унитаза, и как у неё может появиться хвост.
Считается, что сразу после Большого взрыва вещество было распределено по Вселенной почти равномерно. Там, где материи было немного больше, гравитация была сильнее, так как она зависит от массы. В результате туда притягивались все новые порции вещества. Это усиливало гравитацию, и процесс повторялся.
Этот принцип похож на рост снежного кома: чем больше поверхности кома, тем больше снега он намотает, а от этого станет еще больше. Так и галактики росли, пока не впитали практически все окружающее вещество.
Но если перейти от рассуждений «на пальцах» к количественным моделям, получается иная картина.
Моделировать эволюцию всей галактики сложно из-за её разнообразия: звёзды, газ, магнитные поля и загадочное… темная материяВсе это взаимодействует между собой удивительно. Однако ученые не привыкли отступать перед сложностями. Вооружившись суперкомпьютерами, они создали множество моделей рождения, жизни и смерти «звездных островов». Большая часть этих моделей сходятся на том, что в галактиках должно быть значительно больше газа и образовавшихся из него звезд, чем наблюдается в действительности.
Есть два варианта. Первым — разные модели, созданные независимыми специалистами, постоянно ошибаются в этом вопросе без ясного объяснения причин. Вторым — на определённой стадии развития галактики большая часть газа уходит, из-за чего почти прекращается формирование звёзд из этого газа. Например, в Млечном Пути сейчас образуется всего несколько звёзд в год, тогда как раньше темпы были вышеМногими сотнями раз. Такая же картина наблюдается и у других современных галактик.
Унесенные ветром
Обнаруживается испускание веществом из некоторых галактик. Существует разное множество подобных струй, и необходимо отличать их.
Публике хорошо знакомы джеты — струи горячих частиц, ускоренные до скоростей, близких к скорости света. Джеты испускаются из активных ядра галактик, что можно увидеть на изображениях галактик в радиодиапазоне. Длины их бывают разные, и иногда они простираются далеко за пределы родительской галактики. Вместе с тем джеты очень разрежены и практически не изменяют массу галактики.
Более серьёзным претендентом на роль галактической течи считаются потоки, исходящие из квазаров. Будем называть их для краткости квазарными потоками. Как следует из названия, те связаны с квазарами — самыми активными ядрами галактик.
В этом ядре находится сверхмассивная черная дыра, окруженная диском вещества, падающего на нее по спирали. Потоки материи, движущиеся к черной дыре, сталкиваются и раскаляются трением. В результате диск вокруг черной дыры испускает мощное электромагнитное излучение: свет, рентгеновские лучи и др.
Излучение распространяется далеко за пределы черной дыры, его наблюдают даже на межгалактических расстояниях, что позволило узнать об активных ядрах. В сердце родительской галактики напор фотонов особенно силен, излучение там буквально сгребает газ, подобно бульдозеру.
Это происходит из-за давления света, открытого Петром Николаевичем Лебедевым. Поток газа, подталкиваемый излучением квазара, и есть квазарный поток.
Эти потоки могут быть удивительно сильными. Сила некоторых из них… измеряется триллионами солнечных светимостей. Как утверждаютСреди всех явлений наибольший потенциал механической энергии у специалистов.
Благодаря ультрафиолетовому излучению можно проследить квазарные потоки. Однако не на большую дистанцию: максимум на тысячи световых лет, что составляет лишь процент от диаметра крупной галактики. Далее газ охлаждается и прекращает светиться в ультрафиолетовом спектре. Выходит ли он за пределы своей «родины» и сколько его выходит, остается предметом дискуссий.
Суперветры — ещё одна и наиболее серьезная версия утечек газа. Это мощные потоки холодного газа, покидающие галактику со скоростью нескольких тысяч километров в секунду. Не ясно, где и почему это происходит. Телескопы не могут отслеживать потоки холодного вещества внутри галактики. Одна гипотеза предполагает, что это те же квазарные потоки, только остывшие по пути.
Конечно, не каждая галактика может похвастаться кvazаром или вообще сколько-нибудь активным ядром. Ядро Млечного Пути, например, к нашему счастью, спокойное. С другой стороны, мало что известно о том, каким оно было в юности. Возможно, нынешние спокойные ядра просто израсходовали запасы падающего на них вещества. Недаром квазары наблюдаются только в ранней Вселенной.
Что общего у галактики с унитазом
Модель связывает суперветры со вспышками сверхновых. Жизнь самых массивных звезд (тяжелее десяти солнц) завершается впечатляющей вспышкой. Взрыв создает ударную волну, собирающую вещество. Постоянный фейерверк таких взрывов может породить суперветер из множества ударных волн.
Модель предполагает самоподавление звездообразования. Галактика сначала рождает множество звезд, включая массивные. Те быстро (за сотни или десятки миллионов лет) сгорают и взрываются. Ударные волны от взрывов объединяются в суперветер, выталкивающий газ из галактики. С недостатком газа появляться новым звездам попросту нечему.
Это пример обратной связи, негативной по своей природе. С ней сталкивается каждый, кто когда-либо снимал крышку с бачка унитаза. Кран открывается рычагом, к которому прикреплен поплавок. Пока поплавок лежит на дне, кран остается полностью открытым. По мере наполнения бачка поплавок поднимается и постепенно уменьшает поток воды.
Отрицательная обратная связь: чем больше чего-то (в данном случае воды), тем меньше добавится сверху. Такая связь встречается не только в технике, но и в природе, особенно в живой. Это один из главных механизмов стабилизации, не позволяющий системе выйти из-под контроля: бачку — переполниться, а волкам — съесть всех зайцев.Похоже, что и число звезд в галактиках регулируется такой связью: звезды сами заботятся о том, чтобы «размножение» почти остановилось.
Существуют серьезные доводы в пользу того, что сверхновые ответственны за возникновение суперветров. Например, в недавнем исследованииНе было обнаружено статистической связи между яркостью квазара и наличием вокруг него суперветров в десятках галактик. «Суперветренность» неплохо коррелировала с темпами звездообразования. Сторонники квазарной гипотезы тоже найдут ссылки на литературу, подтверждающие свою точку зрения. Не исключено, что оба механизма действуют в природе.
Когда у галактики растет хвост
Может ли потеря газа быть обусловлена исключительно суперветрами, независимо от их причин? Вряд ли. Астрономы знают ещё минимум один способ, которым газ может покинуть свою звездную систему.
Это явление происходит, когда галактики сближаются, а гравитация одной из них вытягивает струю газа из другой — приливный хвост. Такой эффект создаётся приливными силами, возникающими из-за разной силы гравитации в разных точках пространства вокруг галактики-гостьи. Подобные силы от Луны и Солнца вызывают приливы на Земле, только гораздо слабее. В отличие от галактической струи газа, океанский водяной горб не улетает в космос.
Приливные хвосты — редкое явление, потому что у большинства галактик нет близких соседей. Поэтому обычно не рассматривают их как тормоз, останавливающий рост галактик. В прошлом, когда Вселенная ещё не так расширилась, «звездные острова» были ближе друг к другу. Тогда приливные хвосты могли появляться чаще, чем сейчас.
Недавно ученые обнаружилиЭто внушительное свидетельство в пользу данной точки зрения, представлено впечатляющим хвостом газа у галактики с обозначением SDSS J144845.91+101010.5 (которую далее будем называть просто J144845).
Газовый хвост этой галактики тянется более чем на 200 тысяч световых лет и весит 10 миллиардов солнечных масс. Ученые считают такие размеры беспрецедентными. Почти столько же газа, сколько осталось в самой галактике, ушло в хвост. Такая потеря может остановить звездообразование без каких-либо суперветров.
Что могло вызвать такой длинный хвост? Приливные силы. Других работоспособных механизмов, кажется, нет: газ, вынесенный супеветрами, выглядит иначе. У J144845 нет близких соседей, которые могли бы нарушить её покой. Исследователи объясняют это просто: галактика-гостья столкнулась и слилась с J144845.
М Billiоны лет назад галактики располагались ближе друг к другу, поскольку расширение вселенной еще не привело к их раздвижению. В результате столкновения происходили значительно чаще, чем сегодня. Например, в летописи Млечного Пути астрономы… насчиталиЗа последние 11 миллиардов лет произошло пять крупных дорожно-транспортных происшествий. Нет причин думать, что в других звёздных системах подобные события были менее частыми.
Опасная близость
Интересно, что появление системы-визитера сначала даже способствует образованию звезд. Ее гравитация провоцирует бурное движение межзвездного газа в галактике-хозяйке. Любое нарушение равновесия порождает случайные неоднородности. Гравитации же необходимо именно это, чтобы формировать из этих неоднородностей звезды. Так галактика переживает вспышку звездообразования. Но эта вспышка угасает так же внезапно, как и начинается. И теперь, кажется, понятно, почему она угасает: потому что слишком близко приблизившаяся гостья вытягивает газ за пределы галактики. Сближение хорошо в меру, астрономы знают это не хуже психологов.
Если перед столкновением галактик образуются огромные приливные хвосты, понятно, как звездные системы теряют газ. Также понятно, почему мы не наблюдаем хвостов у Млечного Пути и близлежащих галактик. За миллиарды лет, прошедшие с последнего столкновения, эти струи рассеялись. Но далекие галактики мы видим молодыми. Например, свет от J144845 дошел до Земли шесть миллиардов лет — почти половину возраста Вселенной.
Авторы отмечают, что J144845 было обнаружено случайно. Учёные не искали «хвостатые» галактики и только недавно телескопы стали достаточно мощными для выявления подобных хвостов на таких больших расстояниях. По мнению исследователей, необходим целенаправленный поиск таких объектов, чтобы понять, является ли J144845 типичным случаем или редким исключением.