Like Love Haha Wow Sad Angry
3 1 1
В ясную ночь вы можете наблюдать за полосой Млечного Пути в небе. На протяжении тысячелетий астрономы смотрели на него с трепетом, медленно приближаясь к осознанию того, что наше Солнце – всего лишь одна из миллиардов звезд в Галактике. С течением времени улучшались наши инструменты и методы, и мы пришли к пониманию, что сам Млечный Путь всего лишь одна из миллиардов галактик, составляющих Вселенную.
Благодаря теории относительности и открытию скорости света мы также поняли, что, когда мы смотрим сквозь пространство, мы смотрим назад во времени. Увидев объект в одном миллиарде световых лет от нас, мы знаем, что так он выглядел миллиард лет назад. Эффект машины времени позволил астрономам изучить эволюцию галактик.
Процесс формирования и развития галактик остается предметом интенсивного внимания и по-прежнему скрывает долю тайн.
Формирование галактик
Текущий научный консенсус заключается в том, что вся материя во Вселенной была создана примерно 13,8 миллиарда лет назад во время события, известного как Большой Взрыв. Изначально вся материя была сжата в очень маленький шарик с бесконечной плотностью и огромной температурой, называемый сингулярностью. Вдруг сингулярность начала расширяться. Так началась Вселенная.
После быстрого расширения и охлаждения все вещество было почти однородно распределено. В течение нескольких миллиардов лет более плотные участки Вселенной стали гравитационно притягиваться друг к другу. Поэтому они стали плотнее, образовав газовые облака и большие сгустки материи.
Спиральная галактика Messier 74, расположенная в 32 миллионах световых лет от нас, содержит около 100 миллиардов звезд. Credit: NASA, ESA, and the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration
Облака газообразного водорода внутри протогалактик претерпели гравитационный коллапс, чтобы стать первыми звездами. Некоторые из этих ранних объектов были крошечными карликовыми галактиками, в то время как другие приняли привычную спиральную форму, как и наш Млечный Путь.
Галактические слияния
Однажды сформировавшись, эти галактики развивались в более крупные галактические структуры, называемые группами, скоплениями и сверхскоплениями. С течением времени, галактики притягивались друг к другу силой тяжести и объединялись. Результат этих слияний зависел от массы столкнувшихся галактик.
Малые галактики поглощаются крупными соседями, увеличивая их массу. Так Млечный Путь недавно слопал несколько карликовых галактик, превратив их в потоки звезд, которые вращаются вокруг галактического ядра. Но галактики сходного размера объединяются и становятся гигантскими эллиптическими галактиками.
Когда это происходит, тонкие спиральные структуры исчезают. Эллиптические галактики являются одними из крупнейших звездных объединений. Еще одним последствием этих слияний является то, что сверхмассивные черные дыры в их центрах становятся еще больше.
Столкновение двух спиральных галактик, которое если и не создаст одну огромную эллиптическую галактику, так уж точно изменит их стройные структуры. Credit: ESA/Hubble & NASA, Acknowledgement: Luca Limatola
Хотя не все слияния приводят к эллиптическим структурам, все они значительно изменяют строение объединенной галактики.
Во время слияний реальные столкновения звездных систем маловероятны, учитывая огромные расстояния между светилами. Однако, слияние может привести к гравитационным ударным волнам, которые способны спровоцировать образование новых звезд. Это то, что по прогнозам произойдет, когда Млечный Путь сольется с галактикой Андромеды через 4 миллиарда лет.
Смерть галактик
В конечном счете в галактиках перестают формироваться звезды, когда истощается запас холодного газа и пыли. Звездообразование замедляется в течение миллиардов лет, пока полностью не прекратится. Однако, продолжающиеся слияния гарантируют, что все новые и новые звезды, газ и пыль оседают в старых галактиках, тем самым продлевая их жизнь.
В настоящее время считается, что наша Галактика имеет почти полный запас водорода, и формирование звезд продолжится, пока он истощается. Звезды, подобные Солнцу, могут просуществовать около 10 миллиардов лет, но самые маленькие красные карлики смогут жить несколько триллионов лет. Благодаря наличию карликовых галактик и предстоящему слиянию с Андромедой Млечный Путь сможет существовать еще дольше.
В итоге все галактики во Вселенной со временем становятся гравитационно связанными друг с другом и объединяются в гигантские эллиптические галактики. Астрономы встречали подобные «ископаемые», хорошим примером которых является Messier 49, сверхмассивная эллиптическая галактика.
Эллиптическая галактика Messier 49. Credit: Siggi Kohlert
Но в наблюдениях мы видим и прослеживаем структуры во Вселенной именно через исследование галактик.
Поэтому наблюдательное исследование эволюции Вселенной - это исследование эволюции галактик. Такой «экстремистский» тезис я буду доказывать, обосновывать, иллюстрировать на протяжении всей этой книги.
Исследование эволюции галактик сейчас переживает бурное развитие в связи с развитием техники астрономических наблюдений. Теория пока не поспевает за наблюдательными открытиями, поэтому ключевые концепции приходится пересматривать достаточно часто.
Я расскажу о текущем состоянии дел и немного о перспективных - весьма вероятных будущих изменениях в общепринятых взглядах на эволюцию галактик и, соответственно, на эволюцию всей Вселенной.
Три кита, на которых стоит теория эволюции галактик
Все исследования формирования и эволюции галактик опираются прежде всего на физическую модель. Хотя в перспективе это должна быть единая, самосогласованная модель, но исторически сложилось так, что до сих пор практически независимо рассматривается три класса физических механизмов, формирующих и изменяющих структуру и наблюдаемые характеристики галактик - их размер, блеск, цвет, внутренние движения. Эти три класса механизмов - три кита, на которых покоятся (или, напротив, быстро изменяются) наши представления об эволюции галактик, - следующие:
Динамическая эволюция,
-спектрофотометрическая эволюция,
-химическая эволюция галактик.
В классическом варианте теории динамическая эволюция понималась прежде всего как ранняя стадия эволюции, относящаяся собственно к формированию галактики. Эта традиция объяснялась тем, что большинство галактик вокруг нас выглядят как динамически устойчивые, прорелаксировавшие системы; судя по всему, в них выполняется теорема вириала, 2T + U = const, где T - кинетическая энергия системы, а U - ее потенциальная энергия. Поэтому сначала предполагалось, что бурные динамические процессы, оформившие в основном структуру галактик, относились к первому миллиарду лет их жизни, к эпохе коллапса протогалактического газового облака и основного звездообразования в нем.
А позже динамические эффекты лишь слегка изменяли структурные характеристики: например, из-за увеличения хаотических скоростей старых звезд («динамический нагрев») могли утолщаться диски галактик.
В последние десятилетия общее мнение о важности динамических процессов в структурной эволюции современных галактик стало радикально меняться. Прежде всего, зрелищный феномен взаимодействия галактик, хотя и достаточно редкий в нашу эпоху, все же навел астрономов на мысль, что галактики могут сливаться, а в давние времена, когда плотность вещества в расширяющейся Вселенной была выше, чем сейчас, и частота слияний тоже могла быть выше. Эту идею сейчас подхватили и успешно эксплуатируют космологи; согласно их сценариям, вся эволюция галактик - это череда последовательных слияний. Между тем, конечно, слияния («мержинг», как говорят западные коллеги) - это динамические катастрофы, которые полностью перестраивают галактику и дают начало ее новой жизни.
Кроме катастроф, могут существовать и плавные, монотонные, но тем не менее существенные изменения в структуре галактик под действием разного рода динамических неустойчивостей; такие изменения называют «вековой эволюцией».
В последнее время все более популярной становится идея о том, что даже такие глобальные структуры в галактиках, как бары (центральные перемычки), которые дали Хабблу основание выделить особую ветвь морфологической классификации галактик, SB-ветвь, на самом деле не являются пожизненным атрибутом галактики: в ходе вековой эволюции они могут возникать, потом рассасываться, потом возникать снова. Также вековая эволюция может изменять соотношение размеров балджа и диска в галактике и даже менять ее морфологический тип.
Спектрофотометрическая эволюция галактик - т. е. эволюция их светимости, цвета и спектра - определяется суммарным эффектом эволюции составляющих ее звезд. При наблюдениях мы можем разрешить на отдельные звезды только самые близкие к нам галактики; для подавляющего же большинства галактик доступны измерениям только интегральные потоки - сумма излучений всех звезд, составляющих данную галактику или данную область галактики.
Простейшим аналогом галактик как звездных систем являются звездные скопления, которые состоят из звезд одного возраста и одного химического состава, но разной массы. Галактика же в общем случае состоит из многих поколений звезд, т. е. как бы представляет собой сумму гиперскоплений разных возрастов; в самосогласованной (идеальной) модели и металличность поколений должна быть разной в соответствии с ходом химической эволюции в галактике.
На деле же пока более успешными, в плане сравнения с наблюдениями, являются модели звездных населений галактик с единым химическим составом для всех звезд - химическим составом, вероятно, соответствующим среднему, взвешенному по светимости звезд, обилию элементов в звездах галактики.
Спектрофотометрические модели галактик строятся численным интегрированием (сложением) спектров звезд, которые, в свою очередь, берутся из хорошо разработанной теории эволюции звезд. Определяющими параметрами эволюционных треков звезд на диаграмме Герцшпрунга - Рассела служат масса и металличность звезды, поэтому интегрирование проводится по массам и возрастам звезд, а металличность фиксируется как параметр модели галактики.
При этом, конечно, надо знать или задавать из априорных предположений распределения звезд в галактике по массам и возрастам. В самом простом случае предполагается, что в определенный момент времени образовался некий конгломерат звезд разных масс, но одинаковой металличности, и дальше он спокойно эволюционировал без добавления туда новых звезд.
Такой частный вариант модели еще называют «пассивной эволюцией» и довольно успешно применяют его для описания эволюции эллиптических галактик. Расчеты показывают, что пассивно эволюционирующая система звезд с возрастом тускнеет и краснеет, поскольку наиболее массивные, яркие голубые звезды заканчивают свой жизненный путь раньше, чем менее массивные. К возрасту около 10 млрд лет такая звездная система уже состоит только из звезд, менее массивных, чем Солнце, и ее спектрофотометрическая эволюция сильно замедляется.
Поэтому эллиптические галактики на красных смещениях z = 0 и z = 0,5 выглядят совершенно одинаковыми, хотя более далекие из них - на z = 0,5 - в среднем на 3–5 млрд лет моложе. А вот если в галактике в середине или на любом другом промежуточном этапе ее жизненного пути образовывались новые молодые звезды, то она в этот момент «омолаживалась», т. е. ярчала и голубела, и дальше эволюция должна была пойти уже немного по-другому, в частности - в более резвом темпе.
Если коротко охарактеризовать самые общие впечатления от современных цветов и светимостей близких галактик, то они хорошо описываются моделями, в которых практически все галактики - старые, т. е. первая вспышка звездообразования состоялась более 10 млрд лет назад, а дальше - чем более ранний морфологический тип у галактики, тем меньше было характерное время затухания ее глобального звездообразования. В эллиптических галактиках все должно было закончиться менее, чем за 1 млрд лет, а в Sc-галактиках звездообразование тлеет примерно на постоянном уровне все время ее жизни. В неправильных и карликовых галактиках вообще предполагается «вспышечный», т. е. сильно неравномерный ход глобального звездообразования.
Химическая эволюция галактик - это история происхождения химических элементов. Согласно современным представлениям, только самые легкие элементы - водород и его изотопы, гелий и литий - образовались в Большом взрыве, в первые несколько минут жизни Вселенной.
Все остальные элементы образуются в звездах в процессе их эволюции, в ходе термоядерных реакций.
Различают несколько классов ядерных реакций, характерных для звезд различных масс в разные периоды их жизни:
протон-протонную цепочку, CNO-цикл, горение гелия, горение углерода, s-процессы, г-процессы и т. д.
Мнения теоретиков о вкладе тех или иных реакций в производство каждого конкретного химического элемента еще окончательно не устоялись. Однако те, кто моделирует химическую эволюцию галактик, смело берут «state-of-art», т. е. самые свежие расчеты звездного нуклеосинтеза, а далее интегрируют производство химических элементов по времени и по массам звезд точно так же, как при спектрофотометрическом моделировании интегрировали светимости звезд.
Параметры модели, соответственно, те же самые - начальное распределение звезд по массам и история звездообразования в галактике, плюс теория звездного нуклеосинтеза, которая на данный момент считается заданной.
В астрономии все элементы тяжелее гелия традиционно называют «металлами», в этом мы терминологически расходимся с химиками. Поскольку металлы в звездах синтезируются, но практически не разрушаются, металличность галактики со временем всегда возрастает, но с какой скоростью и по какому закону - это уже зависит от деталей модели.
В области химической эволюции галактик у исследователей есть мощный эталон, которого нет в области спектрофотометрической эволюции, - это наша собственная Галактика. Посмотреть на нее со стороны и измерить светимость мы не можем, а вот измерить химический состав отдельных звезд - можем.
Химический состав звезд Галактики уже давно исследуется в массовом порядке, есть хорошая статистика, но нельзя сказать, что она сильно проясняет ситуацию. Вроде бы самые первые звезды должны образовываться из первичного газа, не прошедшего еще через цепь термоядерных реакций в недрах звезд, а потому имеющего нулевую металличность. Однако в нашей Галактике пока не найдено ни одной звезды с нулевой металличностью.
Куда же делись маломассивные долгоживущие первичные звезды с нулевой металличностью? Или откуда взялся ненулевой уровень начальной металличности в нашей Галактике? Вроде бы металличность газа и соответственно звезд, из него образующихся, должна монотонно возрастать со временем, но в диске Галактики до сих пор не найдено убедительной антикорреляции металличности звезд с их возрастом. Возраст Солнца - не менее 4,5 млрд лет, но современная металличность межзвездной среды очень близка к солнечной. Чем объяснить практически нулевой темп обогащения металлами межзвездной среды галактического диска?
А наблюдательная техника продолжает развиваться. Сейчас уже в звездах измеряют детальный химический состав - не общую металличность, а содержание отдельно железа, кислорода, магния, кальция и т. д. Соответственно, и от современной теории химической эволюции галактик теперь уже требуются сценарии, объясняющие не только общую металличность, но и соотношение содержаний отдельных химических элементов на каждом этапе эволюции и в разных типах галактик. Нельзя сказать, что задачи теории химической эволюции упрощаются со временем - а мы и прежние еще не решили…
Два способа изучать эволюцию, или Что мы знаем про далекие галактики
Чтобы наполнить картину эволюции галактик конкретным содержанием и выстроить последовательность и значимость различных возможных эволюционных этапов и механизмов, необходимы наблюдательные данные. Их можно получать двумя принципиально разными способами.
Во-первых, можно подробно изучать строение и характеристики близких галактик и строить физические модели эволюции, которые на финальной стадии, к моменту нулевого красного смещения, дают именно такие объекты, какие мы видим рядом с собой, полностью похожие по динамике, структуре и характеристикам звездного населения.
А во-вторых, учитывая колоссальную проницающую силу современных больших телескопов, можно заглядывать напрямую на большие красные смещения - там мы видим галактики, какими они были несколько миллиардов лет назад. Ведь скорость света конечна, и с очень далеких расстояний свет может идти от галактики до нас миллиарды лет.
На рисунке представлена связь красного смещения, на котором наблюдается галактика, и времени, прошедшего для нее от рождения Вселенной, т. е. от Большого взрыва до момента испускания галактикой тех квантов, которые мы сейчас принимаем.
Для расчета графика на рис. 1.4 использована самая популярная современная космологическая модель - с темной материей и темной энергией. Именно космологическая модель определяет геометрию Вселенной, шкалу расстояний и, соответственно, время, которое требуется лучу света, чтобы дойти от галактики на красном смещении z до нас, находящихся на z = 0. Из рис. 1.4 видно, что когда мы наблюдаем галактику на красном смещении z = 1, мы ее видим такой, какой она была 8 млрд лет назад. А на красном смещении z = 5, где сейчас идут самые массовые поиски и обзоры галактик, видна Вселенная всего через один миллиард лет после .
С современными наблюдательными средствами мы видим практически всю эволюцию Вселенной на просвет и, двигаясь по z, можем на прямую наблюдать эволюцию полного космического населения галактик.
Первый подход, когда мы изучаем в деталях близкие галактики, хорош тем, что мы видим в галактиках всё и с большой точностью измеряем все характеристики галактик. Ограничения первого подхода тоже ясны: мы можем заложить в модели только ту физику, которую уже знаем, а если в эволюции галактик есть то, чего мы себе пока не представляем, оно будет упущено, и модель получится неверной. Правда, тот факт, что модель неверна, мы рано или поздно обнаружим, когда появятся новые наблюдательные данные, которые в данную модель не укладываются.
Второй подход, на первый взгляд, кажется более прямым: выстраивая наблюдаемые характеристики галактик вдоль красного смещения, мы вроде бы получаем временной ход их эволюции, не опирающийся на априорные модельные предположения. Однако когда работа в этом направлении пошла активно, выяснилось, что и тут все непросто.
Допустим, в каком-то диапазоне спектра - например, в дальнем инфракрасном диапазоне - обнаруживается совершенно новый вид галактик; к примеру, удалось определить их красное смещение, хотя и это не всегда возможно, и это красное смещение оказалось большим: мы видим ранний этап эволюции.
Теперь надо понять: превратятся ли эти необычные галактики во что-то обычное к настоящей эпохе, к z = 0, и во что именно, или же с ходом эволюции исчезнут как класс, и мы не увидим рядом с нами их прямых потомков. Единственный известный пока нам способ сделать это, то есть выстроить наблюдаемые на разных красных смещениях совершенно разные по виду галактики в одну эволюционную цепочку, состоит в том, чтобы привлечь те самые физические модели эволюции, правильность которых еще никто не доказал. И все возвращается на круги своя.
Пока что чем больше наблюдательных данных о далеких галактиках собирается в копилках астрономов, тем менее ясной представляется общая картина. Есть и прямые противоречия: одни данные говорят за один сценарий эволюции, другие - за совершенно иной. Наука об эволюции галактик находится сейчас в том счастливом возрасте, когда фактов уже достаточно, чтобы было над чем поразмыслить, но полную картину еще предстоит построить.
Наиболее яркий пример прямого наблюдательного изучения эволюции галактик путем сопоставления их типичных характеристик на разных красных смещениях служит история исследования глубоких полей «Хаббла» (HDF, Hubble Deep Fields) - то есть площадок неба, снятых космическим телескопом «Хаббл» с очень длинными экспозициями.
Сейчас их уже несколько - Ультраглубокое поле «Хаббла» (2004), Крайне глубокое поле «Хаббла» (2012 г.), а началось все с двух небольших площадок - северной и южной. Северное глубокое поле «Хаббла» (HDF-N) было снято первым и на сегодняшний день исследовано досконально. Вся эта эпопея с глубокими полями «Хаббла» началась в 1994 году, когда после починки космического телескопа «Хаббл» (далее - HST) выяснилось, что теперь он может получать изображения с угловым разрешением 0,1″.
Астрономам захотелось посмотреть с таким разрешением на очень далекие галактики; для этого нужно было получить очень глубокий снимок, т. е. снимок с очень большой экспозицией. В созвездии Большая Медведица была выбрана небольшая, всего 5,3 кв. минуты дуги, и на первый взгляд совершенно пустая площадка, и с прибором WFPC2 (Wide-Field Planetary Camera-2) она экспонировалась в течение 10 суток.
Были получены снимки в четырех широких фотометрических полосах: использовались фильтры F300W, F450W, F555W и F814W, центрированные на длины волн, указанные в их именах (в нанометрах), и грубо соответствующие фотометрической системе Джонсона - Казинса, т. е. фильтрам U, B, V и I. Позднее площадку досняли с прибором NICMOS (Near-Infrared Camera and Multi-Object Spectrograph) в фильтрах F110W (1,1 мкм, J) и F160W (1,6 мкм, H).
Таким образом, для всех объектов площадки были получены не только широкополосные цвета, но и грубое распределение энергии в спектре в диапазоне от 3000 до 16 000 Å. Предельная звездная величина, достигнутая в экспозиции HDF-N, Vlim ≈ 30m. Площадка располагается на высокой галактической широте, поэтому несомненных звезд на ней мало - всего 9; есть еще несколько десятков слабых точечных голубых объектов, которые могут оказаться старыми белыми карликами.
Все остальные объекты площадки, а их около трех тысяч, - это галактики. Самой близкой к нам оказалась красивая эллиптическая галактика чуть выше центра кадра - ее красное смещение z = 0,09. На каком красном смещении располагается самая далекая галактика в HDF-N, пока сказать трудно. Есть один объект, широкополосные цвета которого намекают на z ≈ 12, однако все попытки снять спектр галактики, чтобы найти в нем эмиссионную линию для спектрального подтверждения красного смещения по эффекту Доплера, потерпели неудачу - уж слишком слабый у нее блеск.
Подавляющее большинство галактик, обнаруженных в HDF-N, находятся на красных смещениях меньше 1. Правда, надо иметь в виду: в основном это так называемые фотометрические красные смещения. Снять спектр галактики 25-й звездной величины, используя даже самые крупные наземные телескопы, - дело долгое, дорогое и трудное. Поэтому в поле HDF-N прямо измерили значения z только у 150 галактик из 3000, причем, естественно, у самых ярких.
Для остальных моделировали цвета: распределения энергии в спектрах близких галактик сдвигали в красную сторону, «сворачивали» с кривыми реакции фильтров и смотрели, как меняется видимый цвет в зависимости от z. Совпал при каком-то конкретном красном смещении модельный цвет с наблюдаемым для некоей галактики - вот вам и фотометрическое z.
По всем 150 галактикам, у которых красное смещение измерено спектрально, калибровки фотометрических z, естественно, были проверены; авторы методики уверяют, что точность фотометрических красных смещений, определенная как (zph − zspec) / (1 + zspec), лучше 5%.
Среди того большинства галактик, у которых z < 1, опять же большую часть представляют слабые голубые галактики с нерегулярной морфологией, и относительное количество таких галактик явно растет с z. Однако на z ≤ 1 наблюдаются и яркие представители всех хаббловских морфологических типов. Например спиральная галактика, развернутая плашмя; ее красное смещение z = 1,01. Статистический анализ показывает, что в интервале 1 > z > 0 ни число, ни характерные светимости и размеры эллиптических и спиральных галактик не изменились: все крупные галактики, которых мы видим рядом с нами, уже сформировались к эпохе z ≈ 1, т. е. 8 млрд лет назад.
Однако картина резко меняется на z > 1,5: в HDF-N нет ни одной галактики с большим z, которые имели бы правильную морфологию, а всего их там несколько десятков. Характерное изменение морфологии с z можно проследить, например, на рис. 1.6 (взят из обзора Ferguson et al., 2000): галактики на z > 2, как правило, «множественные», т. е. представляют собой скопления сгустков неправильной формы. Линейные размеры сгустков значительно меньше, чем типичные размеры современных галактик, - их диаметры меньше 1 кпк.
Сторонники иерархической концепции, т. е. гипотезы формирования больших галактик путем слияния мелких фрагментов, обрадовались, решив, что в HDF-N напрямую виден этот процесс на красных смещениях z = 2 ÷ 3.
Однако скептики тут же выдвинули свои возражения. Во-первых, существует космологическое ослабление поверхностной яркости - эффект Толмена, пропорциональный (1 + z)4, - и значит, на больших красных смещениях мы можем не увидеть обычные диски галактик, а будем видеть только самые яркие области звездообразования в них; у современных молодых звездных комплексов как раз подходящие размеры.
Во-вторых, на z > 2 в оптическую область спектра, где наблюдала WFPC2, из-за красного смещения попадает уже далекая ультрафиолетовая область спектра в собственной системе длин волн галактики, а ультрафиолетовая морфология галактики может сильно отличаться от оптической, опять же из-за очагов звездообразования.
Последнее возражение удалось отчасти снять после того, как HDF-N отнаблюдали с прибором NICMOS на 1,1 мкм и 1,6 мкм и посмотрели уже на оптическую (в системе длин волн галактик) морфологию тех же самых далеких объектов; оказалось, что она качественно не отличается от морфологии, наблюдавшейся с WFPC2 . Однако первое возражение пока еще никто не опроверг.
Вообще-то наблюдательные поиски галактик в процессе их формирования начались задолго до запуска космического .
Еще в 1970-х годах усилиями сначала Пиблса и Патриджа, а потом Беатрис Тинсли, которая изобрела метод эволюционного спектрофотометрического моделирования, стал очень популярен такой образ новорожденной эллиптической галактики: «10 миллионов Туманностей Ориона».
Действительно, цвета близких эллиптических галактик очень красные, и они свидетельствуют в пользу того, что все звездообразование в этих галактиках закончилось в первый миллиард лет их жизни. Между тем самые крупные из них содержат до 1012 М☉ звезд. Разделив одно на другое, получаем на заре формирования эллиптической галактики темп звездообразования (SFR, Star Formation Rate) до 1000 М☉ в год! Для сравнения - в современных крупных спиральных галактиках в среднем SFR ≈ 1М☉ в год.
Спектрофотометрические модели предсказывают, что при текущем SFR ≈ 1000 М☉ в год галактика должна быть очень яркой - примерно как квазар, т. е. на 4 звездные величины ярче, чем сегодня, - а также голубой и с мощной эмиссионной линией водорода Lyα в спектре.
Вот таких «зверей» и искали весьма активно на небе в 1970–1980-е годы, сначала с фотографической техникой, а потом уже и с помощью ПЗС-приемников. К 1978 году был закончен первый глубокий подсчет галактик Крона: он считал их в двух фильтрах, голубом и красном, и обнаружил, что в B-лучах слабых галактик 23–24-й звездной величины гораздо больше, чем можно было предсказать, исходя из парадигмы пассивной эволюции, т. е. из предположения, что на любом z галактики такие же и в том же количестве, что и рядом с нами.
Этот результат вдохновил Тинсли: она произвела необходимые модельные расчеты и объявила, что среди «избыточных» слабых голубых галактик Крона должно быть много далеких, на z > 3, эллиптических галактик в момент их основной эпохи звездообразования.
Она не дожила до результатов массовой спектроскопии слабых голубых галактик; всем остальным заинтересованным исследователям эти результаты принесли разочарование: «избыточные» слабые голубые галактики оказались все на z 
Рис. 1.7 иллюстрирует технику поиска LBG-галактик, в данном случае на z = 7: в фильтре i (λc = 7500 Å) галактики не видно, а в фильтре J (11 000 Å) и в более красных она видна превосходно - значит, с большой долей вероятности это Ly-break галактика на z ≈ 7.
В основном благодаря усилиям Чарльза Стейделя (Steidel, 1999) сейчас известно уже несколько тысяч таких объектов и подведены первые статистические итоги. Так, по своим свойствам, в том числе и по характерной светимости (а значит, скорее всего, и по массе), LBG-галактики на z = 3, z = 4 и z = 5 идентичны друг другу. Это означает, что процесс формирования звездного населения в этих галактиках был достаточно затяжным. В спектрах половины LBG-галактик вовсе не оказалось Lyα-эмиссии, а в остальных она весьма скромная; да и темпы звездообразования, оцененные по потоку в ультрафиолете (в системе галактики), оказались в среднем весьма умеренными, от 8 до 25 М☉ / год, что согласуется с идеей о большой продолжительности у них эпохи звездообразования. Есть предположение, что LBG-галактики - это будущие балджи современных дисковых галактик ранних типов; впрочем, доказать это трудно. Любопытно, что после того как была оценена средняя плотность на небе пересчитанных на довольно больших площадях LBG-галактик, выяснилось, что в HDF-N количество LBG-галактик в несколько раз меньше среднеожидаемого (Steidel et al., 1996b). То есть в плане средней эволюции галактик на больших z Северное глубокое поле «Хаббла» оказалось совершенно нетипичным, что неудивительно, учитывая его малые размеры. Тогда насколько же репрезентативна статистика морфологических типов галактик, которую астрономы с энтузиазмом изучают по глубоким полям «Хаббла» в течение уже многих лет?!
Астрофизик, доктор физико-математических наук, заведующая отделом физики эмиссионных звезд и галактик Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга МГУ им. М.В. Ломоносова – Ольга Касьяновна Сильченко.
Согласно существующей гипотезе, наша галактика возникла примерно 14 миллиардов лет назад. Первоначально это было огромное газовое облако, четверть объема которого было представлено гелием, а остальная часть водородом. Оно медленно вращалось и постепенно сжималось, под действием гравитации. Этот процесс продолжался около трех миллиардов лет и, в конечном итоге, привел к распаду облака на отдельные части, из которых и были сформированы первые звезды.
Согласно той же гипотезе, процесс рождения звезды стартует после того, как газовое облако, в своей центральной части, достигает необходимой, для начала термоядерной реакции, плотности и температуры. Эти процессы, внутри образовавшихся звезд, происходят и сегодня. В них участвуют элементы, масса которых несколько тяжелее гелия. В водородно – геливое облако они попадают в результате взрывов космических объектов, а также естественным образом. При взрыве сверхновой звезды в космическое пространство выбрасывается огромное количество различных элементов, молекулярная масса которых больше железа. Они также оказываются захваченными газовым облаком. В конечном итоге, оно до предела напитывается различными химическими элементами, которые и приводят к образованию звезд первого поколения. На сегодняшний день они считаются самыми древними. В их основу входят: водород, гелий, тяжелые металлы (в небольших количествах).
Однако в звезды первого поколения трансформируется лишь малая часть газа. Остальной его объем продолжает процесс сжатия по направлению к центру галактики, что приводит к образованию новых звезд. Это космические объекты второго поколения. В их составе уже гораздо больше тяжелых элементов, ведь возникли они из обогащенного газа.
Из оставшегося газа возникает новый диск, который начинает вращаться и сжиматься под действием гравитации. В результате формируются современные звезды.
К моменту прекращения сжатия газового облака, кинетическая энергия диска галактики полностью компенсируется силой гравитации образовавшихся звезд. Создаются благоприятные условия для возникновения галактической спирали, в пределах которой и будет происходить зарождение звезд нового поколения. Кстати, именно к таким космическим объектам и относится наше солнце, в недрах которого происходит реакция термоядерного синтеза.
Что произойдет после этого?
По мнению ученых, количество газа будет постепенно снижаться, а вместе с этим, значительно снизится интенсивность процесса звездообразования. После того, как все газовые запасы будут исчерпаны, галактика изменит свою спиральную форму, на линзообразную. Вместе с этим эволюция звезд выйдет на свою последнюю стадию. Ну а галактика будет состоять из малых звезд, представленных белыми и красными карликами
> Как появляются крупные галактики?
Как рождаются большие галактики : исследование красного смещения, использование Хаббла и Очень Большого Телескопа, спиральные и эллиптические галактики, слияние.
Большая часть современных больших галактик – спиральные, представленные в виде центральной выпуклости и вращающегося вокруг диска. В качестве примеров можно назвать Андромеду или даже нашу галактику. Но как сформировались спиральные галактики? Почему внутри заметна массивная выпуклость?
Согласно данным, примерно половина сегодняшних звезд родились 8000-4000 миллионов лет назад из-за активной волны формирования , произошедшей в Световых Инфракрасных Галактиках.
Благодаря этому и прочим сведениям удалось создать новую версию – «восстановление спирали». Она гласит, что современные спирали появились в ходе одного или двух слияний. Если так и есть, то это будет революция в понимании галактического процесса формирования.
Инструменты образования крупных галактик
Как появились галактики? А звезды? Подобные вопросы все еще могут ставить в неловкое положение астрономов. Это фундаментальные проблемы, которые можно решить при помощи наземных и космических телескопов.
Исследование выглядело амбициозным и обещало отнять много времени. Цель – изучить на разных длинах волн почти 200 галактик с превышением красного смещения на 0.4 (дистанция в 4000 миллионов световых лет). Для этого использовали Хаббл, Очень Большой Телескоп (VLT), Инфракрасную космическую обсерваторию (ISO) и Сверхбольшую антенную решетку.
Результаты исследования крупных галактик
Конечно, все эти проборы дали огромный поток информации. Основываясь на ближних инфракрасных галактических светимостях стало ясно, что большая часть достигает по массе в 30000-300000 миллионов раз больше Солнечной. Кроме того, несмотря на то, что они называются Световыми Инфракрасными Галактиками, только 1/6 объектов относились к группе.
Так как этот тип проходит сквозь активный период звездообразования, в которой звездная масса удваивается за 1000 миллионов лет, то наличие большой части таких галактик в прошлой Вселенной влияло на общую скорость рождения звезд. Также звездное формирование должно было происходить в интенсивных вспышках, а галактики выделяли значительное количество инфракрасного излучения и сформировались в виде Световых Инфракрасных.
Еще один вывод был сделан после использования спектров VLT. Ученые зафиксировали химическую наполненность и поняли: объекты с большим красным смещением демонстрируют, что уровень кислорода вдвое ниже, чем у современных спиралей.
Полагают, что галактические столкновения играют важную роль в увеличении участков формирования звезд. Это указывает на то, что эти события все еще часто происходили менее 8 миллиардов лет назад.
Восстановление спирали у крупных галактик
Эти результаты находят отклик у сценария «иерархического галактического слияния», появляющегося в литературе последние 20 лет. В этой модели маленькие галактики объединяются в крупные. Текущая версия предполагает, что слияние закончилось 8000 миллионов лет назад. Но полноценное исследование отрицает эту мысль и говорит, что в следующие 4000 миллиона лет они продолжали объединяться.
Чтобы учитывать весь набор данных, ученые выдвинули новую модель формирования, которая включает три главные фазы: момент слияния, компактная фаза и рост диска. Схему назвали «восстановление спиральной галактики».
Эта концепция столкнулась с противоречиями, так как принято полагать, что сливается только эллиптический тип. Но астрономы утверждают, что их модель соответствует наблюдениям различных видов и способна объяснить все. И действительно, им удается разложить по полочкам формирование ¾ сегодняшних спиральных галактик и массивных центральных выпуклостей. Она применима к Андромеде, но не работает на Млечном Пути. Кажется, что нашей галактике удалось обойти без столкновений за последние тысячи миллионов лет.
Последующие исследования покажут, могут ли спиральные галактики быть недавно сформировавшимися системами, созданными в процессе масштабного слияния.
Галилео Галилей заметил, что Вселенная - это книга, написанная на языке математики. Макс Тегмарк полагает, что наш физический мир в некотором смысле и есть математика. Известный космолог, профессор Массачусетского технологического института приглашает читателей присоединиться к поискам фундаментальной природы реальности и ведёт за собой через бесконечное пространство и время - от микрокосма субатомных частиц к макрокосму Вселенной.
Согласно первой точке зрения, пространство не меняется, а галактики движутся сквозь него, как шоколадные крошки на поднимающейся сдобной булке под действием добавленного в тесто разрыхлителя. Все галактики (шоколадные крошки) удаляются друг от друга, и чем больше расстояние между ними - тем быстрее. В частности, если вы встанете на конкретную крошку (галактику), вы увидите, что движение всех остальных относительно неё подчиняется закону Хаббла: все они удаляются от вас радиально, и с увеличением расстояния вдвое их скорость также удваивается. Примечательно, что всё выглядит совершенно одинаково независимо от того, с какой шоколадной крошки (галактики) вести наблюдение, так как если у распределения галактик нет границы, то расширение не имеет центра - оно кажется одинаковым отовсюду.
Согласно второй точке зрения, пространство подобно тесту сдобной булки: оно расширяется так, что шоколадные крошки относительно теста неподвижны, а галактики не двигаются сквозь пространство. То есть можно считать галактики покоящимися в пространстве (рис. 3.2 , справа), при этом все расстояния между ними изменяются. Это всё равно, что поменять отметки на воображаемых линейках, соединяющих галактики, сделав их из миллиметровых сантиметровыми, отчего все межгалактические расстояния станут в 10 раз больше прежних.
Это даёт ответ ещё на один вопрос: не нарушают ли галактики, удаляющиеся быстрее света, теорию относительности? Закон Хаббла v = Hd говорит, что галактики будут удаляться от нас быстрее скорости света c , если расстояние до них больше c /H ? 14 млрд световых лет, и у нас нет оснований сомневаться, что такие галактики существуют. Не противоречит ли это утверждению Эйнштейна о том, что никакой объект не может двигаться быстрее света? Ответ - и да, и нет. Это нарушает специальную теорию относительности 1905 года, но не противоречит общей теории относительности 1915 года, которая стала последним словом Эйнштейна по данному вопросу. Следовательно, всё в порядке. Общая теория относительности ослабила световой барьер: если специальная теория относительности утверждает, что никакие два объекта не могут двигаться быстрее света друг относительно друга ни при каких обстоятельствах , то общая говорит, что они не могут двигаться быстрее света друг относительно друга, когда они находятся в одном и том же месте . Однако галактики, удаляющиеся со сверхсветовой скоростью, находятся очень далеко от нас. Если настаивать на том, что пространство расширяется, можно перефразировать это соображение: ничему не позволено двигаться быстрее света сквозь пространство , но само пространство может растягиваться с какой ему угодно скоростью.
Кстати, о далёких галактиках. Я видел газетные статьи, где говорилось о галактиках, отстоящих от нас на 30 млрд световых лет. Если возраст нашей Вселенной всего 14 млрд лет, то как мы видим объекты в 30 млрд световых лет? Каким образом их свету хватило времени, чтобы добраться до нас? Более того, они удаляются от нас быстрее света, что делает абсурдным сам разговор о возможности их увидеть. Ответ в данном случае состоит в том, что мы видим эти далёкие галактики не там, где они находятся теперь, а там, где они были, когда испускали свет, который сейчас доходит до нас. Точно так же, как Солнце мы видим таким, каким оно было 8 минут назад, и в том месте, где оно было 8 минут назад, далёкие галактики мы можем видеть такими, какими они были 13 млрд лет назад, и в тех местах, где они были тогда, - примерно в 8 раз ближе к Земле, сравнительно с их нынешним положением. Так что свету из таких галактик достаточно пройти сквозь пространство всего 13 млрд световых лет, а разница добирается за счёт растяжения пространства. Это похоже на то, как по бегущей дорожке в аэропорту можно пройти 20 метров, сделав всего 10 шагов.
Как расширяется Вселенная?
Не случится ли там, вдали, куда направлено разбегание галактик, какого-нибудь космического ДТП, когда они врежутся в то, что находится там, куда они расширяются? Если наша Вселенная расширяется согласно уравнениям Фридмана, такой проблемы не существует: как показано на рис. 3.2, расширение выглядит одинаково повсюду в космосе, так что подобных проблемных мест быть не может. Если принять ту точку зрения, что далёкие галактики удаляются сквозь статическое пространство, причина, по которой они никогда не сталкиваются с более далёкими галактиками, состоит в том, что те удаляются ещё быстрее: вам не удастся врезаться сзади в разгоняющийся «Порше», если сами вы сидите за рулём ископаемого «Форда-Т». Если же считать, что пространство расширяется, то объяснение состоит просто в том, что его объём не сохраняется. Новости с Ближнего Востока приучили нас к той мысли, что нельзя получить больше места иным путём, кроме как отобрав его у кого-нибудь. Однако общая теория относительности утверждает прямо противоположное: дополнительный объём может быть создан в определённой области между некоторыми галактиками без того, чтобы он расширялся в другие области. Этот объём просто остаётся между галактиками (рис. 3.2 , справа).
Космическая классная комната
Как бы безумно это ни звучало, представление о расширении Вселенной логически последовательно и поддерживается астрономическими наблюдениями. Со времени Эдвина Хаббла подтверждающих эту теорию наблюдений стало гораздо больше благодаря современным технологиям и новым открытиям. Самый фундаментальный вывод состоит в том, что изменениям подвержена вся Вселенная: отодвинув рубеж наших знаний на миллиарды лет, мы обнаружили Вселенную, которая ещё не настолько сильно расширилась и поэтому была плотнее и гуще населена. Таким образом, мы обитаем не в скучном статическом пространстве, аксиоматизированном Евклидом, а в динамичном эволюционирующем пространстве, которое пережило своего рода детство и даже, возможно, рождение - около 14 млрд лет назад.
Радикально усовершенствованные телескопы усилили наше зрение настолько, что теперь мы можем непосредственно наблюдать за эволюцией пространства. Представьте, что вы выступаете с презентацией перед большой аудиторией. Внезапно вы замечаете нечто забавное. Ближайший к вам ряд кресел занят людьми примерно вашего возраста. Однако в десятом ряду вы видите лишь подростков. За ними - кучку маленьких детей, а ряд позади них занят младенцами. Вглядываясь во Вселенную, мы видим нечто подобное. Вблизи множество больших, зрелых галактик, похожих на нашу, а очень далеко мы видим в основном маленькие юные галактики, которые не кажутся вполне развитыми. А за ними и вовсе нет галактик, лишь темнота. Поскольку свету требуется больше времени, чтобы прийти издалека, заглядывание на большие расстояния равносильно наблюдению прошлого. Темнота позади галактик - это эпоха до образования всех галактик. В то время пространство было заполнено водородом и гелием в виде газа, тяготение которого ещё не успело превратить его сгущения в галактики, а поскольку этот газ прозрачен, как гелий в воздушных шарах, он невидим в телескоп.
Но есть загадка: во время презентации вы неожиданно замечаете, что из-за последнего пустого ряда поступает энергия - задняя стена аудитории не вполне тёмная, а испускает слабое излучение в виде микроволн! Почему? Мы видим именно такое свечение, когда заглядываем очень далеко во Вселенной.
| <<< Назад
|
Вперед >>>
|
