Пока астрономы-любители восхищаются размерами галактик, специалисты пытаются понять, почему они кажутся меньше, чем следовало бы. Naked Science разбирается в этой загадке, рассказывает о неожиданных сходствах галактики со снежным комом и бачком унитаза, а также объясняет, почему у нее может появиться хвост.
По мнению ученых, сразу после Большого взрыва вещество было распределено по только что сформировавшейся Вселенной практически однородно. Однако в областях, где концентрация материи была несколько выше, гравитационное притяжение было сильнее, поскольку оно зависит от массы. В результате туда начинали притягиваться дополнительные порции вещества. Это, в свою очередь, усиливало гравитацию, и этот процесс повторялся. Это похоже на принцип снежного кома, или, как говорят некоторые ученые, положительной обратной связи. Каждый, кто когда-либо лепил снеговика, знает, что его размер увеличивается с ускорением. Это логично: чем больше поверхность снежного кома, тем больше снега он захватывает, и тем больше становится его объем. Аналогично формировались и галактики, поглощая почти все находящееся рядом вещество. Кажется, все довольно просто, но при переходе от простых объяснений к количественным моделям, картина оказывается иной.
Действительно, создание модели эволюции галактики – задача весьма сложная. Она включает в себя огромное количество разнообразных элементов, таких как звезды, газ, магнитные поля и таинственная темная материя. И все это сложным образом переплетается. Однако ученые не склонны отступать перед сложностями. Используя суперкомпьютеры, они создали огромное количество моделей формирования, существования и исчезновения «звездных островов». И большинство этих моделей указывают на то, что в галактиках должно присутствовать значительно больше газа и образовавшихся из него звезд, чем можно наблюдать.
Возможны два объяснения. Или это разные модели, созданные опытными специалистами, систематически предоставляют недостоверную информацию в данном аспекте, причины чего пока не установлены. Или на определенном этапе своего развития галактики происходит существенная потеря газа. А это приводит к почти полной остановке формирования звезд, которые формируются из этого газа. Например, в нашей Галактике в настоящее время рождается всего несколько звезд в год, в то время как раньше темпы были выше в десятки, а то и сотни раз. Сходные цифры относятся и к другим современным галактикам.
Унесенные ветром
По имеющимся данным, из отдельных галактик исходят потоки вещества. Существует несколько типов таких выбросов, и их необходимо различать.
Джеты наиболее известны широкой аудитории. Это потоки горячих частиц, разогнанных до скоростей, близких к скорости света. Они вырываются из активных галактических ядер, что отчетливо видно на снимках галактик, сделанных в радиодиапазоне. Джеты могут иметь различную протяженность и порой выходят далеко за границы своей галактики. При этом они обладают крайне низкой плотностью, поэтому практически не влияют на массу галактики.
Квазарные потоки, то есть потоки вещества, исходящие из квазаров, представляются более вероятным источником галактической течи. Квазарные потоки связаны с квазарами – самыми яркими и активными ядрами галактик.
Следует помнить, что в центре этого объекта находится сверхмассивная черная дыра. Эта космическая хищница окружена диском вещества, которое закручивается в спираль, приближаясь к ней. По мере падения материи в гравитационный колодец, потоки сталкиваются и нагреваются из-за трения. В результате этого диск, окружающий черную дыру, генерирует интенсивное электромагнитное излучение, включая видимый свет и рентгеновские лучи.
Излучение распространяется на значительно большие расстояния, выходя далеко за пределы области вокруг черной дыры. Благодаря этому оно заметно даже на межгалактических масштабах, что позволяет нам наблюдать активные ядра. Внутри галактики, где находится черная дыра, интенсивность фотонного потока особенно высока. Там излучение с силой вытесняет газ, подобно действию бульдозера. Это явление объясняется давлением света, которое было открыто нашим выдающимся соотечественником Петром Николаевичем Лебедевым. Газ, движимый излучением квазара, образует квазарный поток.
Эти потоки способны производить сильное впечатление. Мощность некоторых из них измеряется триллионами солнечных светимостей. Как утверждают специалисты, ни одно другое явление не несет больше механической энергии.
Квазарные потоки обнаруживаются по ультрафиолетовому излучению, которое они испускают. Однако они простираются лишь на небольшие расстояния, не более нескольких тысяч световых лет – что составляет приблизительно один процент от диаметра крупной галактики. На большем удалении газ остывает и прекращает светиться в ультрафиолетовом диапазоне. Удаляется ли он в конечном итоге за пределы родительской структуры и в каком объеме – остается предметом споров.
Суперветры также представляют собой значительную угрозу, связанную с «утечкой газа». Речь идет о мощных потоках холодного газа, выбрасываемых из галактики со скоростью в несколько тысяч километров в секунду. Происхождение и причины возникновения этих потоков остаются неясными. Телескопам сложно отследить движение холодного вещества внутри галактики. Одна из предложенных теорий предполагает, что это те же квазарные потоки, которые существенно охладились в процессе своего движения.
Не каждой галактике присуще наличие квазара или иного активно излучающего ядра. Например, ядро нашей галактики, Млечного Пути, к счастью, отличается спокойствием. Однако, наши знания о его состоянии в молодости весьма ограничены. Вероятно, спокойствие, которое мы наблюдаем сегодня, связано с истощением запасов вещества, падающего на ядро. Неслучайно квазары видны преимущественно в ранней стадии развития Вселенной.
Что общего у галактики с унитазом
Альтернативная гипотеза связывает суперветры с взрывами сверхновых. Известно, что самые массивные звезды (массой, превышающей десять солнечных масс) завершают свой жизненный цикл зрелищным взрывом. Этот взрыв генерирует ударную волну, которая собирает вещество на своем пути. Непрерывный поток подобных взрывов может стать причиной возникновения суперветра, состоящего из множества ударных волн.
В этой модели процесс звездообразования прекращается сам собой. Сначала в галактике происходит интенсивное рождение звезд, включая массивные. Эти массивные звезды быстро, всего за сотни миллионов или даже десятки миллионов лет, исчерпывают свое топливо и взрываются. Ударные волны от этих взрывов объединяются, формируя мощный поток, который выдувает газ из галактики. Когда же запасы газа истощаются, новые звезды попросту некуда создавать.
Это пример негативной обратной связи, которая знакома каждому, кто хоть раз снимал крышку с бачка унитаза. Кран активируется рычагом, к которому прикреплен поплавок. Пока поплавок находится в нижнем положении, кран открыт полностью. При наполнении бачка поплавок поднимается и постепенно перекрывает его.
Именно так проявляется отрицательная обратная связь: чем больше присутствует определенного элемента (в данном случае воды), тем меньше его поступает сверху. Отрицательными обратными связями насыщен не только технический прогресс, но и окружающий мир, особенно живая природа. Это один из ключевых механизмов стабилизации, препятствующий неконтролируемому развитию системы: чтобы бачок не переполнился, а волки не истребили всех зайцев. По всей видимости, даже количество звезд в галактиках подвержено регулированию посредством подобной связи: звезды, по сути, сами ограничивают собственное «размножение.
Существуют убедительные доказательства того, что суперветры могли возникнуть в результате взрыва сверхновой звезды. Например, в недавнем исследовании десятков галактик не обнаружилось никакой статистической связи между яркостью квазара и наличием вокруг него суперветров. Зато «суперветренность» неплохо коррелировала с темпами звездообразования. Впрочем, у сторонников квазарной гипотезы тоже найдутся ссылки на литературу. Не исключено, что в природе работают оба механизма.
Когда у галактики растет хвост
Являются ли суперветры, вне зависимости от их причины, единственным способом потери газа? Вероятнее, нет. Астрономы знают и другие пути, по которым газ может покинуть звездную систему. Для галактики, подобно студенту, не сдавшему экзамен, могут стать проблемой ее «хвосты.
Иногда галактики оказываются на близком расстоянии друг от друга, и гравитационное воздействие одной из них может спровоцировать выброс газовой струи из другой – это явление называется приливным хвостом. Если говорить точнее, причиной этого являются приливные силы, возникающие из-за разницы в гравитационном воздействии на разные участки галактики при её приближении. Аналогичные силы, исходящие от Луны и Солнца, приводят к образованию приливов на Земле. Однако их сила значительно меньше, поэтому океанская вода не улетучивается в космическое пространство, в отличие от газовой струи, выбрасываемой из галактики.
Приливные хвосты наблюдаются нечасто, поскольку у большинства галактик нет ближайших спутников. Поэтому их обычно не считают фактором, препятствующим росту галактик. Однако в прошлом, когда Вселенная была менее обширна, галактики располагались ближе друг к другу. В то время приливные хвосты могли формироваться чаще, чем в настоящее время.
Недавно ученые обнаружили важное свидетельство в пользу этой точки зрения. Это впечатляющий хвост газа у галактики с зубодробительным обозначением SDSS J144845.91+101010.5 (ниже мы будем для краткости именовать ее просто J144845).
Газовое гало этой галактики охватывает пространство более чем на 200 тысяч световых лет и обладает массой, равной 10 миллиардам солнечных. Ученые, проведя исследование, характеризуют такие размеры как уникальные. Действительно, объем газа, который был потерян, сопоставим с тем, что осталось внутри самой галактики. Подобные потери вполне способны прервать процесс формирования новых звезд, даже без участия мощных выбросов вещества.
Что могло стать причиной такого протяженного хвоста? Приливные силы. Других эффективных механизмов, по всей видимости, не существует: газ, выброшенный мощными ветрами, имеет иную структуру. Кроме того, у J144845 отсутствуют ближайшие объекты, способные вызвать возмущения. Ученые предлагают простое объяснение: галактика-посетитель успела объединиться и слиться с J144845.
Стоит отметить, что в далеком прошлом галактики находились значительно ближе, поскольку процесс расширения Вселенной еще не завершился. В результате, слияния происходили гораздо чаще, чем в настоящее время. Так, изучая историю Млечного Пути, астрономы насчитали пять крупных ДТП за последние 11 миллиардов лет. Нет причин полагать, что с другими звездными системами это случалось реже.
Опасная близость
Интересно, что изначальное приближение системы-визитера, напротив, способствует рождению звезд. Ее гравитационное воздействие вызывает интенсивное движение межзвездного газа в галактике, которую она посещает. И любое изменение баланса приводит к возникновению случайных неоднородностей. Гравитации свойственно использовать эти неоднородности для формирования звезд. Таким образом, галактика переживает период бурного звездообразования. Однако эта активность прекращается столь же стремительно, как и началась. И теперь становится ясно, почему происходит затухание: слишком близкое расположение «гостьи» приводит к тому, что газ покидает пределы галактики. Умеренное сближение важно – об этом астрономы знают не меньше, чем психологи.
Если каждый раз, когда галактики сталкиваются, формируются огромные приливные хвосты, то становится ясно, как звездные системы теряют газ. Также становится понятна причина, по которой мы не видим подобных хвостов у Млечного Пути и других близлежащих галактик: за миллиарды лет, прошедшие с момента их последнего столкновения, эти структуры успели распасться. Однако, в отличие от близких галактик, мы видим далекие галактики в более ранней стадии развития. К примеру, свет от J144845 достиг Земли шесть миллиардов лет назад — почти половину возраста Вселенной.
Авторы отмечают, что открытие J144845 произошло, скорее, случайно. Ученые не планировали поиск галактик с «хвостами». Более того, лишь недавно телескопическое оборудование достигло уровня, позволяющего выявлять подобные структуры на столь больших расстояниях. Специализированные исследования таких объектов крайне важны, утверждают исследователи. Только таким образом удастся определить, является ли J144845 распространенным явлением или необычным исключением.