Гич Джеймс

Галактики. Большой путеводитель по Вселенной

Джеймс Гич

Галактики. Большой путеводитель по Вселенной

© James Geach, 2014

© Перевод на русский язык. ООО «Издательство АСТ», 2022

© Оформление. ООО «Издательство АСТ», 2022

* * *

Сверкающая лента Млечного Пути сияет над плато Чахнантор в чилийской пустыне Атакама, ставшей домом для комплекса радиотелескопов «Атакамская большая [антенная] решетка миллиметрового диапазона». Наш мир – часть огромного скопления звезд, нашего космического дома. Его можно увидеть на снимке с длинной выдержкой, которая дает превосходное изображение центра Галактики, плотно населенного звездами. Темные пятна вдоль светлой полосы выдают присутствие межзвездной пыли: она блокирует свет звезд, находящихся за ней

Глава 1

Города вдали

Представьте, что вы стоите на высоком холме на окраине большого города. Вокруг вас разбросаны отдельные дома, местами объединяющиеся в тихие деревушки. Глядя на город, расстилающийся впереди, вы видите огромный сверкающий лабиринт улиц, парков и высотных зданий – плотная агломерация расползается во все стороны, а в ее центре – скопление сверкающих небоскребов. Но самое поразительное в этом мегаполисе – его безмолвие: на улицах ни души, не слышно полицейских сирен и даже неразличимого городского гула. Кажется, будто город охвачен цепенящим сном. И все же он лежит почти у ваших ног и терпеливо ждет, когда его исследуют. Но прямо сейчас вы одни в далеком пригороде и можете лишь наблюдать и изумляться сложности и богатству вида, расстилающегося перед вами.

Повернувшись к нему спиной, вы увидите бескрайнее открытое пространство, которое простирается до самого горизонта. Если отбросить редкие деревеньки и городки, примыкающие к окраине, мегаполис кажется одиноким путником в пустыне. Но далекие просторы зачаровывают ваш взгляд. Вы щуритесь и различаете вдали несколько слабых отсветов. Куда ни падает взгляд, вы видите все больше и больше таких огоньков, и наконец понимаете, что этот город не одинок, а мир – гораздо больше, чем вам казалось, и в нем могут быть и другие города, похожие на ваш.

То же относится и к галактикам, которым посвящена эта книга: здесь рассказывается о том, что мы знаем о них, а что все еще остается неизвестным. Для Галактики, в которой мы живем, Земля, Солнце и Солнечная система – лишь мельчайшие компоненты, но Вселенная полна и других галактик разных форм и размеров. По самым точным подсчетам, во Вселенной от 200 млрд до 500 млрд галактик. Как мы увидим далее, многие из них похожи на нашу, а другие отличаются – и довольно сильно. Задача внегалактической астрономии – понять, как они появились.

Пожалуй, самое потрясающее в галактиках – не они сами, а то невероятное расстояние, которое их разделяет. Лишь недавно люди смогли установить, что галактики представляют собой автономные объекты, изолированные безбрежными пучинами космоса. С этого открытия началось стремительное развитие наших представлений об их сущности, формировании и эволюции. Теперь мы можем проводить необычайные эксперименты и измерения и, что еще важнее, интерпретировать полученные результаты. Мы можем находить пульсирующие флуктуации реликтового излучения Большого взрыва, с которых началось формирование галактик. Мы можем наблюдать гибель звезд, взрывающихся в далеких галактиках, и отслеживать их тускнеющее сияние, чтобы получить данные как о процессе формирования галактик, так и об общей эволюции и судьбе Вселенной. А сегодня мы уже работаем над экспериментами, цель которых – обнаружить следы момента, когда началось образование первых звезд в первых галактиках. Далее в книге мы рассмотрим некоторые из этих тем.

Многие говорят, что мы живем в золотом веке изучения происхождения, эволюции и гибели галактик. Но следует помнить: как вид мы только-только начали действительно осознавать, что за пределами звездного скопления, которое мы называем Млечным Путем, существуют и другие звездные системы. Что звезды, которые мы видим на ночном небе, находятся от Земли почти так же невообразимо далеко, как и остальные галактики от Млечного Пути. Эта концепция Вселенной была экспериментально подтверждена в начале XX века.

Сначала мы создали карту галактик, расположенных недалеко от нас: благодаря такой близости свет от них виден достаточно отчетливо на нашем небе. Спустя столетия астрономы, стремясь познать Вселенную и вооружившись современными технологиями, исследовали миллионы галактик: создали карты их расположения в космосе, проанализировали состав и измерили движение. Теперь мы можем фиксировать сигналы галактик, излучение которых в миллиарды раз слабее, на частотах, которые не может воспринимать человеческий глаз – единственный инструмент, доступный нашим предкам, когда люди впервые заинтересовались содержанием небес.

Но что такое галактики? Из чего они сделаны? Насколько они велики? Как они образуются? Почему существуют разные типы галактик и как они изменились со временем? Эти вопросы – краеугольный камень исследований в сфере эволюции галактик. Все это мы рассмотрим далее в книге, но многие из этих вопросов все еще ждут ответа, так же как и многие тайны космоса все еще нуждаются в разгадке. Именно предвкушение новых открытий делает эту область самой увлекательной в астрономии и, возможно, во всей науке. Я не только познакомлю вас с последними достижениями, но и подробно расскажу об азах астрономического исследования. Как оно проводится, какие инструменты мы используем и чем на самом деле заняты астрономы каждый день? Первая остановка этого космического путешествия – наш дом и город, который лежит перед нами.

Via Lactae

Посмотрите на небо ясной темной ночью, лучше всего – в фазе молодой Луны (когда ее не видно) и вдалеке от городской засветки на небе. Глазам понадобится пара минут на адаптацию к темноте, чтобы зрачки расширились и лучше воспринимали слабый свет, исходящий из-за пределов атмосферы. Теперь изучите небосвод: вы заметите, что плотность звезд возрастает там, где небо пересекает слегка светящаяся полоска. Это плоскость нашей Галактики в форме диска, где сконцентрировано множество звезд. Первые классические астрономы назвали его Via Lactae, или «Млечный Путь». Расположение звезд над нами представляет собой организованную структуру: в случае с нашей Галактикой мы видим диск, в котором находится наша система. Эта полоска – свет миллиардов звезд, которые наш глаз не может воспринимать по отдельности, только как рассеянное свечение – чем оно ярче, тем плотнее концентрация звезд в диске. Если вы взглянете на созвездие Стрельца, то будете смотреть в самый центр Галактики, где плотность материи больше всего, – это балдж, то есть утолщение со звездным населением, расположенное в центре большого диска.

Если ваш взгляд пересечет Млечный Путь под углом в 60 градусов, вы сможете увидеть другую слабо светящуюся полоску, идущую от горизонта, где Солнце только что село или собирается вставать. Это свечение испускается орбитальной плоскостью (эклиптикой) нашей Солнечной системы. Оно называется зодиакальным светом и представляет собой отражение солнечного света от бесчисленных частиц камней и пыли, попавших в ловушку рассеянного диска Солнечной системы. Угол наклона плоскости эклиптики по отношению к звездной полоске Млечного Пути показывает, как наклонена орбитальная плоскость Солнечной системы относительно галактической. Плоскость внутри плоскости.

Наша Солнечная система находится очень далеко от балджа – примерно на второй трети расстояния от центра Галактики до ее внешнего края. Галактический диск не такой уж плоский: посмотрев в любом направлении от Земли, мы увидим, что над нами, под нами и вокруг нас немало звезд, расположенных довольно близко. Хотя они находятся на разном расстоянии от Земли, наши глаза воспринимают их как статичные объекты разной степени яркости на поверхности гигантской сферы, окружающей нашу планету. Именно такую картину долгое время изображали астрономы – «недвижимые светила» на «небесной сфере». На самом деле многие звезды сдвигаются на небольшие, но легко измеряемые расстояния, и мы называем их звездами с «собственным движением». Так происходит потому, что они быстро перемещаются в космосе: это движение можно отследить, внимательно наблюдая за ежегодной сменой их координат на небе. Обычному наблюдателю с человеческой шкалой времени звезды, как правило, кажутся абсолютно неподвижными, но если бы он прилег вздремнуть на пару миллионов лет, то, проснувшись, увидел бы совершенно другие созвездия. Галактика и ее составляющие находятся в постоянном движении.

Панорамный снимок Млечного Пути в видимом свете, на котором ясно различается галактический диск и яркий, но частично затененный межзвездной пылью балдж. Наша Галактика относится к большим спиральным галактикам с перемычкой – структурой, присоединяющей спиральные рукава к ядру

Что человеческий глаз не в силах распознать, так это трехмерную картину распределения звезд, рассеянных в космосе на разном расстоянии от Земли. Следует отметить, что большинство созвездий – это случайные, схожие с узнаваемыми образами построения звезд, удаленных от нас на разные дистанции. На планете, расположенной в другой области Млечного Пути, астроном увидит совсем иной набор созвездий.

Некоторые скопления звезд физически связаны друг с другом. Бинарные системы состоят из двух звезд, вращающихся вокруг общего центра масс. Зачастую они настолько удалены от нас, что человеческому взгляду трудно их разделить. Иногда одна звезда бинарной системы кажется ярче другой, заглушая ее блеск; пример такой двойной системы – Сириус, ярчайшая звезда ночного неба. Большую часть звезд в нашей Галактике составляют именно бинарные системы. Существуют и более крупные звездные скопления. Они появляются из-за того, что многие звезды образуются в одном месте в результате коллапса газовых облаков – настоящих звездных колыбелей галактик. Популярный пример – кластер Плеяд в созвездии Тельца, также известный как Семь Сестер. Звезды Плеяд сформировались достаточно недавно по астрономическим меркам; они отличаются повышенной яркостью и расположены довольно близко друг к другу, что позволяет увидеть это скопление невооруженным глазом.

В области Млечного Пути, называемой гало, мы также находим загадочные глобулярные кластеры, рассеянные по диску Галактики, – это очень плотные шаровые скопления из сотен тысяч звезд, которые удерживает вместе гравитация. Каждый глобулярный кластер гравитационно привязан к Млечному Пути, кружась вокруг него, как мухи над тарелкой с едой. Процесс их формирования все еще не до конца понятен, но они содержат одни из древнейших частиц Галактики, а потому являются ключом к расшифровке истории возникновения Млечного Пути и других галактик. Маленький телескоп или бинокль поможет увидеть некоторые известные глобулярные кластеры, представляющие собой одну из самых эффектных галактических достопримечательностей.

Трехмерное расположение близких к Земле звезд было нанесено на карту методом параллакса – одного из самых старых инструментов определения расстояния в астрономии. Понимание, что такое параллакс, позволит вам узнать о базовой единице измерения расстояния, которую используют профессиональные астрономы, – парсеке (пк). Позже, когда мы будем обсуждать огромные масштабы других галактик, мы еще встретимся с этим понятием. Парсек – это единица измерения, которая содержит в себе гигантское значение в метрах. Его запись обычным способом была бы слишком громоздкой, причина примерно та же, что и с поездками на машине – мы не считаем их в сантиметрах.

Омега Центавра, самый большой глобулярный кластер Млечного Пути, – это скопление 10 млн звезд в среде под названием «галактическое гало», окружающей диск Галактики. В гало находится около 200 известных глобулярных скоплений нашей Галактики, представляющих собой ее самых старых обитателей, хоть и с неясным происхождением. Омега Центавра может оказаться останками карликовой галактики, которая когда-то была поглощена Млечным Путем. В этом качестве она содержит археологические ключи к раскрытию истории формирования нашей Галактики

Закройте один глаз и сосредоточьтесь на кончике большого пальца, вытянув руку вперед. Теперь откройте глаз и закройте другой. Кажется, будто позиция пальца изменилась относительно поверхности земли. Это и есть параллакс – сдвиг видимой позиции объекта при изменении угла зрения наблюдателя. Зная расстояние между точками наблюдения (в данном случае между вашими глазами) и угол смещения видимой позиции объекта, можно определить фактическое расстояние до него, используя методы простой тригонометрии. Ваш мозг проводит такие вычисления постоянно, тем самым отчасти формируя восприятие глубины. Мы не воспринимаем глубину в звездной области так, как осознаем ее в нашем привычном окружении: звезды настолько далеки от нас, что видимые изменения их положения крайне незначительны.

Тот же опыт можно повторить и со звездами, но для вычисления астрономического параллакса нам потребуются гораздо бо́льшее расстояние между точками наблюдения и высокоточные измерения положения звезд на небе. Природа, как оказалось, снабдила нас простой техникой для выполнения этой задачи. Каждые шесть месяцев все изменяет положение на 300 млн км, когда ежегодный орбитальный путь Земли приводит ее на противоположную сторону Солнца. Фиксировать положения некоторых далеких звезд, а затем повторять эти измерения полгода спустя можно с помощью того же большого пальца, ведь расположение наших глаз относительно звезд меняется. Конечно, ждать все шесть месяцев необязательно, но именно такой срок даст наиболее длинное базовое расстояние между точками наблюдения и самые точные измерения видимого смещения, а значит, и максимально корректное для этого метода исчисление расстояния.

Глобулярный кластер 47 Тукана – один из самых знаменитых небесных объектов, которые можно увидеть невооруженным глазом в Южном полушарии. Здесь он изображен в ближнем инфракрасном диапазоне, причем на снимке хорошо видно плотный шар из миллионов звезд. Примечательно, что этот кластер на небе кажется одного размера с Луной, хотя он расположен примерно в 350 млрд раз дальше. Все эти звезды в глобулярном скоплении удерживает гравитация; они вращаются вокруг общего центра масс. Сам кластер, в свою очередь, гравитационно связан с Млечным Путем. Все массивные галактики окружены таким отрядом, в который входит от нескольких сотен до нескольких тысяч глобулярных кластеров (последние относятся к самым массивным галактикам, таким как эллиптические). Кластер 47 Тукана – любимец всех астрономов, так как содержит немало крайне интересных популяций звезд. Яркие звезды, кажущиеся желто-оранжевыми на этом снимке, – это массивные звезды, называемые красными гигантами. Они находятся на той стадии звездной эволюции, когда бо́льшая часть водорода уже выгорела и происходит горение гелия, в процессе чего звезда увеличивается до суперразмеров. Их красный цвет вызван относительно низкой температурой поверхности (низкой для звезды, конечно) – около 4000 K. Бетельгейзе – яркая звезда в созвездии Ориона и хороший пример красного сверхгиганта. Такие звезды помогают нам понять, что происходит на критической фазе звездной эволюции

Измеряя положение звезд или нанося на карту любой объект в небе, мы работаем в небесной системе координат, где координаты светил, или точек, задаются двумя угловыми величинами (или дугами), однозначно определяющими положение объектов на небесной сфере. Такой подход основывается на концепции небесной сферы – гипотетического гигантского экрана, который окружает Землю и на котором «отражаются» все отдаленные астрономические источники. Эта система широты и долготы похожа на ту, что используется на искривленной поверхности Земли, только в случае астрономии меридианы проходят по внутренней поверхности сферы и называются прямым восхождением и склонением. Как и расположение того или иного места на Земле, которое может быть указано парой широты и долготы, мы определяем положение небесных объектов прямым восхождением (α, или RA) и склонением (δ). Угловое расстояние между любыми двумя координатами в этой системе – это расстояние вдоль части круга, получаемого при сечении сферы плоскостью, проходящей через ее центр. Такой круг называется большим, а самое большое сечение из возможных составляет 180 градусов. Полная Луна, к примеру, занимает полградуса на этой сфере. Часто астрономы ставят изображение полной Луны рядом со снимками бо́льших астрономических объектов для удобного сравнения их угловых размеров.

Мы можем использовать более точные величины, нежели градусы: как и час, состоящий из 60 минут, градус может быть разделен на 60 угловых минут, а каждая угловая минута – на 60 угловых секунд. Расстояние, обозначаемое одной угловой секундой, видно примерно так же, как ширина пряди волос с 10 м. Мы можем пойти дальше и разделить расстояние на еще меньшие отрезки (в теории – на сколько угодно единиц), но на практике самое малое деление для определения положения небесных объектов ограничивается измерительными приборами и их разрешительной способностью. Собственные движения звезд часто измеряются тысячными долями угловой секунды, которые, как правило, не воспринимаются человеческим глазом без помощи аппаратуры.

Теперь давайте рассмотрим гипотетическую звезду, которая видна на нашем небесном экране. Предположим, мы уже один раз замерили ее положение, а теперь спустя шесть месяцев снова проводим измерения и сравниваем результаты. Разница в нашем физическом измерении составляет двойное расстояние от Солнца до Земли. Если видимое изменение положения звезды составляет две угловые секунды, значит, расстояние до звезды равно одной параллактической секунде, или 1 пк. Итак, параллактические измерения – это способ определения истинного расстояния до звезд. Но если видимое изменение положения звезды становится меньше по мере ее удаления, наступит момент, когда точные измерения произвести будет уже нельзя. Другими словами, параллакс работает, только когда мы измеряем расстояния довольно небольшого пространства вокруг нас.

Возможно, вы привыкли к тому, что в астрофизике расстояния измеряют световыми годами, то есть расстоянием, которое свет преодолевает в вакууме за один год. На самом деле, за некоторым исключением, внегалактические астрономы чаще используют именно парсеки: это более эмпиричный способ, так как определение построено на геометрических принципах измерений. Для сравнения: 1 пк эквивалентен расстоянию, превышающему три световых года. Ближайшая к Солнцу звезда, Проксима Центавра, находится на расстоянии 1,3 пк, а на удалении 10 пк найдется еще несколько сотен звезд. Положения и параллаксы более 2,5 млн звезд (и их собственные движения) были картографированы при помощи европейского космического телескопа Hipparcos – (акроним от англ. High Precision Parallax Collecting Satellite – Высокоточный спутник для сбора параллаксов, созвучный с именем древнегреческого астронома Гиппарха), собиравшего данные с 1989 по 1993 год. Недавно запущенный спутник «Гайя» (англ. Gaia) сейчас проводит новую топографическую съемку положений миллиардов звезд в галактике для создания наиболее точной и полной трехмерной карты нашего космического дома. Тем не менее это лишь первые наметки: «Гайя» проведет измерения только 1 % от всех звезд Млечного Пути (как будто мы слегка высунули нос за дверь нашего дома и попытались увидеть все дома по соседству), но все же «Гайя» – невероятный прорыв в этой сфере. В Галактике гораздо больше звезд, чем мы способны измерить методом параллакса, и основная их часть расположена в этой яркой полоске Млечного Пути, которую мы видим на небе.

«Сверхглубокое поле “Хаббла”» – «окно» в очень далекие регионы Вселенной. Почти каждая световая точка на этом снимке – это галактика, открытая, когда телескоп «Хаббл» снимал небольшие участки космоса (около 10 % диаметра полной Луны) с очень длинной выдержкой. Здесь можно различить детали этих относительно близких к нам, но все же очень далеких галактик, среди которых ясно выделяются спиральные и эллиптические. Однако определить формы и размеры самых дальних из них практически невозможно: на снимке это светлые и красные точки размером всего в несколько пикселей. Тем не менее обнаружение этих галактик крайне важно для науки, так как оно позволит узнать больше о том, какими были галактики в эпоху ранней юности Вселенной. Свет от самых дальних галактик, изображенных на снимке, возник, когда Вселенной было всего полмиллиарда лет. Через эту фотографию мы смотрим в прошлое

Отведя взгляд от полоски Млечного Пути, мы начнем рассматривать пространство над или под галактическим диском – область действительно глубокого космоса, за пределами Галактики. Вдали от ближайших к нам звезд, за пределами диска, простирается тихая и темная бездна, таящая в себе другие галактические миры. Их много – сотни и сотни миллиардов. Увы, пока мы не можем получить их четкое изображение: куда бы мы ни посмотрели, взгляд устремляется сквозь материю нашей Галактики, не говоря уже о сиянии Солнца, которое заполняет небеса. Заниматься внегалактической астрономией – все равно что стоять у подножия гигантского дуба в густом лесу и пытаться увидеть за ним другие деревья. Чтобы разглядеть другие галактики, мы должны смотреть на пространства, лежащие по краям от усеянного звездами галактического диска Млечного Пути. Регион космоса в области галактической плоскости так ярок и плотно набит межзвездным веществом, что практически не пропускает свет, излучаемый дальней частью Вселенной. Изучая другие галактики, мы даже не смотрим в эту область: для нас она – зона избегания.

Состав Галактики

Наша Галактика представляет собой гигантское скопление звезд, собранных в дискообразную структуру. Это сложно понять сразу, так как у нас не самая удачная наблюдательная позиция – прямо из глубин самого диска. В ночном небе мы видим лишь ближайшие к Земле звезды и упускаем полную картину – точно так же невозможно оценить и масштаб бескрайних дождевых лесов Амазонки, стоя в их центре. Лишь изучая дальние галактики, мы сможем понять, как выглядит «лес» целиком. Чтобы изучать их, мы должны больше узнать о том, из чего же, – помимо звезд, – они состоят. Млечный Путь, как ни удивительно, – самая обычная среднестатистическая галактика. Даже быстрый обзор его содержимого подготовит нас к исследованию других галактик Вселенной.

Итак, мы уже знаем, что бо́льшая часть звезд Млечного Пути рассредоточена по его диску. В центре диска находится звездный балдж, отличающийся несколько более сферической формой. Если бы Млечный Путь был яичницей, то его балдж – это желток. По причинам, которые мы исследуем позже, звезды балджа отличаются от звезд диска: в основном все они старше. На самом диске звезды распределены неравномерно: некоторые регионы населены более плотно и напоминают формой спираль. Самые молодые звезды мы находим именно в них: новые звезды образуются в спиральных рукавах галактического диска.

«Глубокое поле "Чандры" – Юг» (англ. Chandra Deep Field South) – это внегалактическое исследование одного из регионов глубокого космоса – «пустого поля», значительный вклад в которое внесло множество разных телескопов. Целью проекта был поиск для наблюдения части неба, где отсутствовали бы известные объекты всеобщего интереса (скажем, большая соседняя галактика), чтобы астрономы могли проводить непредвзятое слепое исследование большого количества галактик, видимых на разных стадиях красного смещения, то есть на разных этапах космических эпох. Это оптическое изображение размером с полную Луну, а время выдержки при его съемке составляет два дня. Наблюдая за нашей Галактикой, мы видим лишь бесконечную череду звезд, но за ее пределами – мириады галактик, и наш мир – лишь один из множества

Как и Земля, вращающаяся вокруг Солнца, весь галактический диск Млечного Пути крутится подобно юле, перемещая всю Солнечную систему по галактической орбите. В радиусе Солнца скорость вращения диска составляет примерно 200 км/с, а на полный оборот вокруг центра Галактики у нас уходит почти 250 млн лет. Таким образом, с момента своего возникновения Земля совершила почти 20 полных оборотов по орбите Млечного Пути. Как вы узнаете дальше, Млечный Путь, как и другие галактики, представляет собой крайне динамичную сущность, не знающую покоя.

Рассмотрим другие составляющие Галактики. Пространство между звездами заполняет газ различной плотности и температуры и формирует то, что мы называем межзвездной средой. По большей части газ состоит из водорода – самого простого, легкого и распространенного элемента во Вселенной, атом которого состоит из одного протона и одного электрона, связанных вместе. Межзвездный газ пребывает в трех состояниях: атомарном (образуется соединением отдельных атомов), молекулярном (образуется соединением двух и более атомов, связанных вместе за счет молекулярного взаимодействия), и, наконец, ионизированном (возникает, когда столкновения между атомами из-за повышения температуры или значения напряжения внутреннего электрического поля привели к отрыву электронов от атомов газа). Хотя бо́льшую часть межзвездной среды составляет водород, в ней присутствуют и другие микроэлементы, например углерод и кислород. Этих веществ еще не было на этапе зарождения нашей Вселенной – они сформировались позже в ходе эволюции галактик, в частности благодаря участию газа в круговороте материи при звездообразовании.

На диске нашей Галактики более молодые звезды рассредоточены в местах скопления газа. Звезды формируются в гигантских облаках молекулярного водорода; одно такое облако может дать жизнь целому поколению звезд. Из-за воздействия гравитации частицы газа сближаются и образуют скопления, что приводит к возникновению островов звездообразования по всему диску Галактики, особенно внутри спиральных рукавов, где плотность газа выше всего. Звезда зажигается, когда гравитационный коллапс сжимает достаточное количество газа для образования холодного молекулярного ядра. Когда плотность достигает нужного уровня, атомы ядра начинают сталкиваться друг с другом, выделяя при этом огромное количество энергии. При сжатии энергия гравитационного поля переходит в основном в тепло и излучение, и объект нагревается. Когда температура в центре достигает 15–20 млн кельвинов (К), запускаются термоядерные реакции, и сжатие прекращается.

Объект становится полноценной звездой. В процессе коллапса облака, если его фрагменты случайно распадутся из-за воздействия турбулентности или других изменений плотности газа внутри него, может одномоментно образоваться множество звезд. Рожденные рядом звезды из такого выводка становятся скоплением, элементы которого дрейфуют в пространстве и со временем удаляются друг от друга.

Это увеличенное изображение центральной части Млечного Пути, на заднем плане которого ясно видно затемнение звездного пространства межзвездной пылью, сгущающейся на плоскости диска. Местами мы можем увидеть пятна диффузного излучения: синего цвета – от свечения молодых звезд, рассеянного и отраженного частицами газа и пыли, и красно-розового – от свечения ионизированного водорода (HII) в местах зарождения новых звезд

После того как звезды зажглись, в их ядре запускаются термоядерные реакции, результатом которых становится выброс энергии в форме ультрафиолетовых и видимых лучей света. Эта радиация мгновенно воздействует на несгоревший газ, оставшийся в околозвездном диске: она заряжает его высокоэнергетическими протонами исоздает пузыри ионизированного газа, заставляя его светиться. Такое свечение туманности с головой выдает места формирования звезд в любой галактике. Ионизация – это процесс, в ходе которого достаточно заряженный протон отрывает электрон от атома (или молекулы). В определенный момент этот электрон может вернуться к своему или любому другому атому, утратившему электрон, но для этого ему придется высвободить всю полученную при отрыве энергию, испустив фотон. Однако есть одна особенность: такое «повторное излучение» приводит к высвобождению фотонов с крайне специфической энергией, что обусловлено квантово-механическими причинами. Мы можем представить электроны сидящими на абстрактных энергетических уровнях вокруг атомов, примерно как на ступеньках лестницы, где разница в ступеньках – это разница в энергетических уровнях. Энергия фотона прямо пропорциональна его частоте, которую мы воспринимаем как цвет. Поэтому когда новые звезды освещают свои родные облака водорода, каждое облако светится своим специфическим цветом. Мы называем этот свет H-альфа: он имеет темно-красный цвет с длиной волны 656,28 нм, а эти светящиеся облака – областями HII, или областями ионизированного водорода (HI – символ нейтрального неионизированного водорода, а HII – ионизированного). На протяжении книги мы будем возвращаться и к другим газовым компонентам галактик.

Не все звездные скопления глобулярные. Изображенный на снимке открытый звездный кластер в нашей Галактике называется NGC 3603. На дисках галактик, подобных нашей, звезды рождаются в гигантских облаках молекулярного газа, которые в процессе гравитационного коллапса могут породить сразу множество звезд, что приводит к возникновению подобных кластеров (хотя не все звезды рождаются скоплениями). Вокруг скопления можно заметить свечение от межзвездного газа (его испускают элементы водорода, серы и железа), заряженного радиацией, которую излучают молодые массивные звезды. Детальное понимание физических процессов звездообразования, основанное на изучении регионов активного звездного роста в нашей Галактике, дает нам жизненно важные данные для понимания процесса развития звездообразующих галактик дальней (и ранней) Вселенной

В астрономии все элементы, кроме водорода и гелия (точнее говоря, дейтерия и лития), обозначаются удобным названием «металлы». Металличность региона – это показатель концентрации в нем других элементов, которые тяжелее изначальных водорода и гелия, и измеряется она, как правило, в единицах сопоставления с металличностью Солнца. Но как появляются металлы? Уже давно стало расхожим клише утверждение, что Земля и все на ней, включая нас, есть «звездная пыль» – в том смысле, что все мы являемся результатом мириад мутаций и трансфигураций праха давно умерших звезд. Конечно, это правда, и она прекрасно подчеркивает фундаментальные космические процессы. Звезды – алхимики Вселенной; это фабрики, на которых из базовых элементов – водорода и гелия – образуются более сложные формы; этот процесс называется нуклеосинтезом. Все известные нам элементы сформированы либо в ходе термоядерного синтеза, являющегося источником энергии звезд в течение всей их жизни, либо (если это любые элементы тяжелее нашего железа) в ходе взрывного ядерного синтеза – экстремальных условий, возникающих во время гибели звезд, которые мы называем сверхновыми. Золото вашего кольца сформировалось во время взрыва одной или, скорее, даже нескольких звезд, а бриллиант, который его украшает, выкован в самом сердце звезды. У вас нет бриллиантового кольца? Ну что же, железо в вашей крови образовалось точно так же.

«Звездные ясли» нашей Галактики называются IC 2944. Красный цвет, который доминирует на этой фотографии, – результат свечения ионизированного водорода. Каждый раз, когда электрон воссоединяется с ионизированным атомом (то есть атомом, у которого «оторвало» электрон при поглощении им высокоэнергетического протона, испущенного, скажем, близлежащей юной, массивной и яркой звездой), испускается свет с определенной длиной волны. Ее точная длина зависит от энергии перехода: правила квантовой механики говорят нам, что различные возможные энергетические переходы электронов в атомах различаются, как ступени на лестнице. Один из самых частых переходов в астрофизической среде, насыщенной водородом и ультрафиолетовым изучением, – H-альфа. Это изображение показывает яркие, молодые звезды, излучающие H-альфа, и темные сгустки, силуэт которых вырисовывается на красном фоне. Это глобулы Теккерея – плотные облака пыли и газа. Видимому свету туманности, которая подсвечивает глобулы, не так-то легко пройти сквозь них, поэтому они кажутся темными. Постепенно глобулы испаряются: они плещутся в океане интенсивной радиации, излучаемой этими горячими молодыми звездами, которые сжигают их пыль и рассеивают газ

В результате этой космической алхимии в составе галактик могут быть не только металлы, но и большие запасы «пыли». Пыль – общий термин, используемый для описания углеродистой и силикатной материи в виде гранул, по консистенции похожей на сигарный дым, но только более диффузный. Пыль также возникла в процессе звездной эволюции. Когда звезда умирает, либо сбрасывая внешние слои на белый карлик, либо взрываясь как сверхновая, эта пыль распространяется в межзвездное пространство. Она собирается в плотные облака в местах наиболее активного звездообразования – как действующего, так и уже закончившегося – и становится заметной, когда мы составляем большие карты Галактики в видимом излучении.

Пыль в целом не пропускает фотоны видимого излучения, которые поглощаются и рассеиваются пылевыми гранулами; точно так же было бы трудно что-то разглядеть в задымленном помещении. Лучше всего пыль поглощает и рассеивает фотоны с короткой длиной волны, то есть синий свет, так что пробиваются сквозь нее в основном фотоны «покраснее» – этот эффект называется межзвездным покраснением света. Это означает, что в регионах с высокой концентрацией пыли использование только оптического наблюдения даст нам неполное представление о происходящем, так как бо́льшая часть излучения блокируется. Этот эффект можно наблюдать на диске Млечного Пути: любой снимок с длинной выдержкой этой насыщенной звездами плоскости покажет на ней более темные пятна и завихрения. Пятна – это пыль, сконцентрированная на плоскости галактического диска и блокирующая часть света от звезд за ней. Чтобы видеть сквозь пыль, нам нужно использовать более длинные световые волны, так как они легче проходят сквозь пылевую завесу. Кроме видимого света существует также ближняя инфракрасная область (ближняя, потому что она располагается между видимым светом и средней инфракрасной областью), длина волн которой составляет от одного до нескольких микрон. Фотоны ближнего инфракрасного излучения устойчивы к поглощению пылью, так что наблюдение в этом диапазоне открывает нам еще одно окно для изучения галактик.

Туманность Лагуна – это гигантское межзвездное облако и область HII в нашей Галактике. Ее красный цвет говорит о свечении ионизированного водорода, а темные пятна вокруг выдают присутствие большого и плотного газопылевого облака. На снимке изображен регион, который в восемь раз больше размера Луны на небе. Изучая диски близлежащих звездообразующих галактик, мы нередко видим их спиральные рукава, обильно приправленные такими HII-областями, как эта

Пыль также может обладать собственным характерным свечением, нагреваясь по мере поглощения ультрафиолета и синих фотонов, излучаемых звездами. Эта «тепловая» энергия перевыпускается как инфракрасное излучение. В отличие от ближней инфракрасной области, эти фотоны отличаются значительно большей длиной волны – от 10 до 100 микрон между средней и дальней инфракрасными областями. Если посмотреть на Галактику на этих волнах, то пыль внезапно станет прозрачной, поскольку она – самый сильный излучатель таких инфракрасных фотонов. Сами звезды испускают не так много излучения на этих волнах. Некоторые из наиболее активных галактик во Вселенной – те, в которых формируется самое большое количество звезд, – также оказываются и самыми «пыльными». Пыль в них блокирует бо́льшую часть видимого света, излучаемого звездами, но переработанное инфракрасное излучение не пропускает остальной свет галактики, так что эти закрытые пылью галактики могут ярко светиться в инфракрасном диапазоне.

Продукты звездной эволюции сформировали и другие меньшие составляющие галактик – астероиды, планеты, растения и людей. Ненадолго отвлечемся: я думаю, что мало кто из астрономов будет не согласен со мной в том, что, если верить статистике, можно ожидать, что жизнь существует в тысячах разновидностей в бессчетном количестве миров в других солнечных системах, вращающихся вокруг далеких солнц как в нашей Галактике, так и в большинстве других во Вселенной. Если честно, понадобится немало аргументов, чтобы это опровергнуть. Диапазон сложности этих форм жизни простирается от клеточных организмов, обитающих в сернистом шламе на спутнике какой-нибудь далекой планеты, до самых технологически продвинутых цивилизаций, которые, возможно, уже колонизировали множество миров и даже заняли межзвездные пространства. Вероятно, было бы разумно предположить, что мы находимся на средней стадии развития. То, что с нами еще не вошла в контакт никакая другая цивилизация и мы все еще не поймали сигналы некоего развитого общества, может говорить о трудности внутригалактических коммуникаций.

Это изображение центра Млечного Пути в ближней инфракрасной области электромагнитного спектра, полученное Обзорным астрономическим телескопом видимого и инфракрасных диапазонов (англ. Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy, VISTA). Ближнее инфракрасное излучение может проходить сквозь пыль, блокирующую свет в видимом диапазоне электромагнитного спектра, что дает нам более четкую картину звезд в этом плотном, переполненном и ярко светящемся балдже Галактики. Тем не менее в некоторых местах пылевые облака настолько плотные, что даже фотоны ближней инфракрасной области не могут пройти сквозь них. Примером такого участка служат темные волокнистые структуры, окаймляющие снимок

Есть и более причудливое объяснение: вполне возможно, что политика «контакта» среди наиболее развитых цивилизаций широкого галактического сообщества очень сложна или даже что существует известная общая апатия в этом вопросе. Поверить в последнее довольно трудно, но мне нравится новелла Иэна М. Бэнкса «Последнее слово техники»[1], которая описывает политический бесконтактный сценарий взаимодействия его же «Культуры» с событиями на Земле в 1977 году. Концепция жизни где-то в нашей Галактике, да и в других тоже, – предмет увлекательный и провоцирующий размышления, но мы не будем слишком глубоко погружаться в его обсуждение. Парадокс Ферми, также известный как «Где все?», задает вопрос: почему, если Вселенная настолько обширна и изобилует обитаемыми планетами и, предположительно, разными формами жизни, мы до сих пор не зафиксировали никаких следов ни одной внеземной цивилизации? Ответим здесь решительным заявлением: мы просто допускаем, что жизнь где-то существует, как в галактике Млечный Путь, так и в других, и что варианты ее проявлений бесконечны – от простых клеточных форм до сложных, технологически развитых цивилизаций, возможности которых превосходят все, что только может представить наше воображение. Как бы там ни было, следует помнить о том, что сложные биологические системы – это продукт процесса формирования и эволюции галактик.

Увеличенное изображение центра Млечного Пути в диапазонах волн ближней инфракрасной области спектра, которые способны пройти сквозь пыль, затеняющую вид на центральное звездное население нашей Галактики в видимом свете. Этот регион переполнен звездами, и даже в этих диапазонах заметны явные следы затемнения – так, участок изображения слева вверху темнее прочих, будто на него пролили чернила

Отправляясь в путешествие

Земля купается в сиянии Вселенной, состоящем из всех видов испускаемых за всю ее историю излучений. Наша цель – исследовать хотя бы часть этого излучения и попытаться понять, откуда и как оно пришло. Именно так мы и изучаем галактики.

Космологические эксперименты в сочетании с последними моделями архитектуры и эволюции Вселенной указывают на то, что ее возраст составляет около 14 млрд лет. Эта книга посвящена не Большому взрыву или космологии (то есть свойствам

Вселенной в целом) – она, скорее, о том, что происходило во Вселенной с момента ее возникновения и что сформировало наиболее очевидную и заметную для стороннего наблюдателя характерную особенность космоса – его галактики. Во время этого путешествия мы узнаем о том, как, по нашему мнению, эти галактики появились и как протекала их эволюция, и постараемся ответить на все те вызовы и вопросы, с которыми сталкиваются внегалактические астрономы сегодня: когда сформировались первые галактики? Как растут галактики и какие физические процессы определяют их судьбу? Более того, мы немного коснемся и самого предмета современной астрономии: что она делает и как работают астрономы.

Фотография Млечного Пути, сделанная космической обсерваторией «Планк». Целью проекта «Планк» было изучение изменения космического микроволнового фона – реликтового излучения, но поскольку эта космическая обсерватория наблюдала за всем небом, она также снабжала нас детальными изображениями Млечного Пути. Этот снимок показывает в белых оттенках тонкую эмиссию пыли в нашей Галактике, в основном сосредоточенную на галактическом диске, и обнаруживает сложную морфологию пространства над и под ним (на высоких галактических широтах). Бо́льшая часть галактик содержит значительное количество пыли, образовавшейся во время формирования звезд. Эта пыль поглощает ультрафиолетовый и оптический свет, но испускает излучение в инфракрасном диапазоне спектра по мере нагревания в поле межзвездного излучения

На страницах этой книги мы познакомимся со стандартной моделью космологии, или «космологическим конкордансом». Эта модель описывает все содержание, структуру и эволюцию Вселенной и называется «Лямбда-CDM» (от англ. Lambda-Cold Dark Matter, ΛCDM). С конца 1990-х годов большинство астрономов приняли эту модель в качестве наиболее подходящей из имеющихся на сегодняшний день для объяснения результатов наблюдений за всеми свойствами Вселенной. Лямбда (Λ) относится к символу, обозначающему темную материю, которая впервые появилась в уравнениях общей теории относительности Эйнштейна как так называемая космологическая константа, а CDM обозначает холодную темную материю (точная природа темной материи не имеет особого значения для нашей истории, однако это понятие – важная ее деталь). Хотя мы описываем концепцию «Лямбда-CDM» как нашу стандартную модель космологии, и темная энергия, и темная материя находятся за пределами стандартной современной физической модели, где нам неясна их истинная природа. Это несколько обескураживающее положение, особенно в сочетании с тем фактом, что в модели «космического конкорданса» темная энергия и темная материя вместе образуют бо́льшую часть плотности энергии, а следовательно, и массы Вселенной, и привело многих критиков к концепции «Лямбда-CDM».

Я бы не хотел сейчас увязнуть в космологии, потому что эта книга все-таки посвящена только галактикам, но один тезис абсолютно безусловен: «Лямбда-CDM» – именно та модель, которая успешно описывает самый широкий комплекс собранных эмпирических данных. Конечно, природа космологической модели важна для истории галактик, но в известном смысле это отдельная проблема. Я бы хотел рассказать о том, что мы на самом деле знаем о галактиках благодаря тщательному наблюдению и анализу данных.

Описывая свет, то есть электромагнитное излучение, я говорю – и намеренно, и случайно – о частоте и длине волн света как взаимозаменяемых понятиях. Иногда это происходит в результате установившихся обычаев в том или ином разделе астрономии (например, в случае радиоастрономии и оптической астрономии), но в основном это связано с тем, что описание энергии света через его частоту ничем не отличается от того же описания в терминах длины волны: они обозначают одно и то же явление, но относятся к разным аспектам природы электромагнитного излучения. В качестве понятного примера можно представить простую модель световых волн по аналогии с волнами в океане: если вы сидите в лодочке на якоре посреди океана, по которому пробегают волны, то показателем того, как ваша лодка ныряет на волнах то вверх, то вниз, и будет частота. А расстояние между соседними гребнями и впадинами – это длина волны. Теперь вы видите, как эти два показателя связаны. Хотя волновая модель – один из способов описания процесса распространения излучения, где свет проявляется как колебания «моря» электромагнитных волн, далее я буду описывать свет в квантовой модели, где он распространяется в виде фотонов. В любом случае частота и длина волн света, будь то радиоволны, видимый свет или рентгеновское излучение, соотносятся с энергией электромагнитного излучения.

Есть два важных вопроса, которые я хотел бы обсудить в этой книге. Во-первых, во Вселенной существует множество самых разных видов галактик. Во-вторых, эти галактики не всегда были там, где находятся сейчас, и меняются по мере движения Вселенной – астрономы используют термин «эволюционируют». Разумеется, мы все еще сталкиваемся со сферами, где нам недостает знаний и понимания, и поэтому здесь необходимо обращаться к теории, построению моделей и предположений, которые мы можем сопоставить с результатами наблюдений. И я позволю себе не извиняться за то, что некоторые примеры, на которые я буду опираться по мере повествования, пристрастны и основаны на моем личном исследовательском опыте. И я с самого начала признаю, что область охвата предмета настолько глобальна, что по необходимости мне приходилось приукрашивать, упрощать или вовсе опускать какие-то темы. Но моя задача – дать вам представление о том, что значит быть астрономом, показать с практической стороны, как мы проводим измерения и эксперименты и как это привело нас к современному уровню понимания Вселенной.

И если повезет, то к концу этой книги я смогу убедить вас в том, что астрономия – это невероятно разнообразное, богатое и восхитительное пространство для исследований, и показать вам те замечательные вещи, которые мы как вид смогли узнать за изумительно короткий период нашей истории.

Глава 2

Шаг за пределы Галактики

Во Вселенной существует невероятное разнообразие видов и типов галактик, и наша – лишь одна из миллиардов. Конечно, множество из них похожи на наш спиральный Млечный Путь и построены по так называемой спиральной модели с упорядоченной структурой (гранд-дизайн; это обозначение – просто сокращенный вариант для описания сложности этих объектов) и различными уровнями. Так, есть спиральные галактики, которые имеют в центре перемычку (бар); есть маленькие, неправильные и аморфные галактики; есть галактики, сливающиеся и взаимодействующие с искаженными в результате этого процесса формами; наконец, встречаются и массивные галактики без явно выраженного ядра, при этом представляющие собой гигантское сферическое или эллиптическое скопление звезд. Такие галактики отличаются по химическому составу, содержат разные типы звезд и формируют новые звезды с разной частотой. Масса Млечного Пути за счет возникновения новых звезд каждый год увеличивается на массу нескольких Солнц; в самых активных галактиках формирование новых звезд происходит в сотни раз быстрее, чем в нашей, а в некоторых они вообще не рождаются. Расположение галактик в космическом пространстве тоже не случайно: они выстраиваются в определенные системы, структуру которым задает лежащая в основе всего мироздания гравитация. Разные типы галактик, как правило, и располагаются по-разному. Цель моего исследования – внести свой вклад в наше понимание того, почему галактики такие, какие есть, и как они появились. Почему галактик так много? Какие процессы их сформировали и как вся эта система менялась по мере развития Вселенной? Все, что нам сегодня известно, является результатом десятилетий кропотливого и терпеливого наблюдения за небом для сбора данных, позволяющих нам подобрать ключи к ответам на эти вопросы.

Изображение галактики M74 со структурой типа гранд-дизайн представляет захватывающий вид на самые разные элементы, составляющие эту спиральную галактику, расположенную исключительно удобно для наблюдений с Земли. Яркое светло-желто-оранжевое ядро сияет светом миллиардов звезд – в среднем они старше, чем синие (и более молодые) звезды, которые видны сквозь галактический диск. Пятна красного цвета, напоминающие всполохи лесных пожаров на аэрофотосъемке, показывают области HII, где формирующиеся в гигантских облаках молекулярного газа звезды ионизируют водород – точно так же, как это происходит в нашей Галактике. Сквозь диск и спиральные рукава тянутся кружева межзвездной пыли, словно темный автограф из пепла давно погибших звезд

Сердце галактики Водоворот – еще одной прекрасной спиральной галактики, которая также хорошо видна с Земли. Снимок показывает сложную структуру этих «островов Вселенной». Два спиральных рукава, отходящих от ядра, отличаются особенной яркостью из-за присутствия в них областей ионизированного водорода и густых слоев пыли. Обратите внимание на взаимосвязь расположения участков пыли и мест активного формирования звезд

Эффектный вид на спиральную галактику NGC 4921, которая входит в скопление галактик Волосы Вероники, или скопление Кома. Рукава этой галактики не так ярко выражены, как у других ее спиральных «коллег» вроде галактики Водоворот, – возможно, в силу того, что NGC 4921 не так интенсивно производит звезды в своем диске. Это может быть связано и с плотностью межзвездного скопления: часть газа, который необходим для образования звезд, была захвачена во время прохождения галактики через плотную раскаленную межгалактическую среду. Фон снимка обнаруживает несчетное количество дальних галактик самых разных типов: они кажутся гораздо меньше и бледнее, чем NGC 4921

Галактика Черный Глаз, или М64, – пример особенно переполненной пылью спиральной галактики, на что указывает толстая полоса в ее центре, блокирующая бо́льшую часть звездного света

NGC 1300 – спиральная галактика с перемычкой. Яркие спиральные ветви, начинающиеся на концах линейной структуры перемычки, светятся из-за присутствия в них молодых горячих синих звезд и областей звездообразования, центральная часть которых заметно краснее, а значит, звездная популяция здесь в среднем более зрелая. В самом центре галактики видна еще одна спиральная структура, представляющая собой активное ядро галактики с газом и звездами, где также происходит процесс формирования звезд. Структура с перемычкой отчасти отвечает за движение газа и звезд от диска к центру галактики, поскольку она перераспределяет момент импульса. В некоторых галактиках перемычка важна и при формировании балджей

NGC 5584 – флокуляционная спиральная галактика, сияющая новыми молодыми синими звездами, которые образуют скопления по всему диску. У таких галактик спиральная структура менее выражена, чем у галактик типа гранд-дизайн: как и в случае с NGC 5584, для них характерна комковатая, почти диффузная структура, хотя общие черты с морфологией спиральной структуры все еще видны

Центральный регион спиральной галактики NGC 2841, чье яркое гладкое желто-оранжевое ядро красиво контрастирует с извилистыми спиральными рукавами, покрытыми «татуировками» из пыли и испещренными здесь и там синими кластерами новых звезд. Как наблюдатели, мы прикованы к точке внутри диска схожей с NGC 2841. Галактики, откуда смотрим сквозь звезды, газ и пыль на Вселенную, простирающуюся за пределами нашего места обитания

Снимок, сделанный в ближнем инфракрасном диапазоне, показывает спиральную галактику с перемычкой NGC 1365. Формирование перемычки происходит в результате гравитационных возмущений в общем вращении галактического диска, что приводит к удлинению орбит некоторых звезд, за счет чего формируется перемычка. Около двух третей спиральных галактик, известных нам сегодня, содержат перемычки – в том числе и наша

Более масштабный вид на галактику Водоворот (М51). Большая спиральная галактика взаимодействует с маленькой и неправильной, которую можно увидеть на конце одного из спиральных рукавов. Гравитационное воздействие этого маленького компаньона, который, что вполне возможно, прошел через диск М51, повлияло на спиральный рукав большой галактики. Его очертания очень хорошо видны на этом снимке и сияют из-за света новых звезд и областей HII

Совершенно очевидно, что существует что-то, что объединяет самые разные элементы галактик: они все излучают свет – в той или иной форме – или, в некоторых случаях, блокируют его. Если мы определим эти виды излучения или обнаружим «отсутствие» света, то вслед за этим сможем составить карту как нашей, так и других галактик и разложить их на составные элементы. Именно так мы и изучаем Вселенную: мы не можем самолично наблюдать или собственноручно измерять материю и вынуждены полностью полагаться на обнаружение фотонов, которые были излучены, поглощены или отражены, ну или зафиксировать, что мы их не нашли.

Если задуматься, тот же принцип работает и в повседневной жизни: прежде чем прикоснуться к чему-то, вы должны либо увидеть, либо услышать это, чтобы узнать, что этот предмет здесь есть. Что касается зрения, то вы видите фотоны, которые были либо напрямую излучены объектом, например лампочкой, либо отражены от какого-то объекта. Эти лучи попадают на сетчатку глаза, как, скажем, когда пылинки рассеивают солнечные лучи или вы видите свое отражение в зеркале. Или, если речь идет о слуховом восприятии, объект должен каким-то образом вызвать колебания воздуха. Например, жужжащее насекомое рассекает воздух своими крылышками и создает ударные волны, которые достигают вашего уха, создают колебания барабанной перепонки и трансформируются в звуки в вашем мозге. В обоих случаях вы, по сути, не вступаете в физический контакт с объектом, но можете узнать что-то о его свойствах благодаря передаваемому излучению. Например, мне не нужно прикасаться к траве, чтобы сказать, что трава зеленая, и таким образом узнать что-то о ее биологии.

Мы начали изучение космоса, используя только свои глаза, и лишь со временем смогли дополнить наш инструментарий телескопами. Наши глаза воспринимают излучение довольно узкого диапазона энергий, или частот, которые мы видим как цвет. Диапазон этих частот примерно соответствует пиковому диапазону электромагнитного излучения, которое испускается Солнцем и достигает поверхности Земли. И это не просто биологическое совпадение: наши глаза эволюционировали так, чтобы мы могли «видеть» это излучение, что стало мощным преимуществом. Но видимый свет – это лишь малая часть непрерывного электромагнитного диапазона излучения, испускаемого в результате различных процессов, происходящих во всей Вселенной. Мы уже знаем, как можно использовать свет с чуть более длинными волнами, чем воспринимают наши глаза, – например, чтобы пробиться через барьер межзвездной пыли. Развитие нашего инструментария достигло той ступени, когда мы можем присоединять к телескопам оборудование, позволяющее обнаруживать излучение по всему спектру – от гамма-и рентгеновских лучей (с очень высокой частотой и энергией) до радиоволн (с низкой частотой и энергией). Галактики испускают фотоны самых разных видов – как мы узнаем далее, только измеряя их все, мы можем быть уверенными, что проводим полную «перепись» астрофизики, управляющей природой галактик.

Как эмпирическая наука астрономия очень необычна, потому что мы не можем проводить контролируемые эксперименты так же, как это делают ученые в лабораториях. Наоборот, занимая ту ограниченно удобную позицию, ту точку во Вселенной, которую мы называем Землей, все, что мы можем, – это просто выглядывать наружу и улавливать как можно больше излучений. В них закодирована вся история Вселенной. Астрономия в чем-то схожа с археологией. Археологи не могут просто спросить Юлия Цезаря, что он ел на завтрак, – эту информацию необходимо искать в других источниках. Конечно, параллели немного глубже, чем завтрак Цезаря. Как и археологи, устремляющие свой взгляд в прошлое Земли, астрономы вглядываются в глубокий космос. Причина этого кроется в том, что расстояния между другими галактиками и нами настолько огромны, что свет оттуда идет сюда довольно значительное время. Отсюда и появилась такая временна́я единица, как световой год – расстояние, которое свет преодолевает за один год.

NGC 4710 в скоплении Волосы Вероники – пример спиральной галактики, которая видна с ребра. Это положение позволяет нам оценить типичную плотность диска и круглого центрального балджа. Как и для большинства спиральных галактик, для NGC 4710 характерно сосредоточение четкой пылевой линии, сконцентрированной в середине галактической плоскости, затемняющей и делающей более красными ее центральные области, – этот эффект мы можем наблюдать и в нашей Галактике. Тем не менее выпуклый желтоватый звездный балдж в центре диска хорошо виден, так же как и звездная «оболочка», которая создает размытое белое сияние вокруг балджа и диска

Услышав раскаты грома, вы воспринимаете звук, который раздался несколько секунд назад, когда вы увидели молнию. Точно так же, смотря на галактики, мы видим их такими, какими они были в момент испускания этого света, что могло происходить миллиарды лет назад – настолько беспредельны расстояния в космосе. То же можно сказать и о Солнце: оно настолько далеко от нас, что свету требуется восемь минут, чтобы пересечь внутреннюю Солнечную систему на пути к Земле. Поэтому когда вы смотрите на Солнце (защитив свои глаза подходящим экраном, конечно же), вы видите его таким, каким оно было около 10 минут назад, а когда смотрите на Луну – видите то, что было примерно секунду назад. Разумеется, свету необходимо определенное время, чтобы пересечь то или иное расстояние, поэтому временна́я задержка применима и к повседневной жизни – просто скорость света по сравнению с человеческой шкалой расстояний настолько велика, что мы даже не замечаем разницы.

М104, или галактика Сомбреро, – одна из самых знаменитых на нашем небе. Все дело в характерной морфологии: у нее почти эллиптический ровный звездный балдж и очень четко очерченный диск с полосой из темного пылевого вещества. Галактика Сомбреро повернута к нам почти ребром, но диск слегка наклонен в нашу сторону

Эта временна́я задержка – очень удобный инструмент для астрономов: в сущности, просто глядя на далекие галактики, мы можем увидеть, что происходит (или, скорее, происходило) в ранней Вселенной. Мы буквально открыли окно в прошлое. Цель внегалактической астрономии – не только аудит содержимого Вселенной, но и изучение того, как оно изменялось, а также построение физической модели, которая позволит все это понять. Но как именно астрономия это делает?

На этом снимке, полученном при помощи телескопа «Хаббл», видна линзовидная галактика Веретено. Удлиненная полоса белого сияния возникает благодаря свету миллиардов звезд, бо́льшая часть которых расположена в балдже, доминирующем в этой галактике. Мощные пылевые полосы на центральной плоскости диска практически полностью затемняют свечение позади себя. Линзовидные галактики обычно пассивны – в них больше не рождаются новые звезды, – так что пыль возникла в более ранний период существования галактики, когда здесь еще шел активный процесс формирования звезд. Таким образом, эта пылевая завеса дает нам ключи к минувшим этапам эволюции Веретена. Процесс формирования линзовидных галактик пока еще не до конца понят, но существует вероятность, что они образовались из массивных спиральных галактик определенного типа

На этом снимке в видимом свете изображена еще одна знаменитая галактика – массивный эллиптический Центавр A. Мощная темная пылевая полоса сложной структуры пересекает галактику, что видно по обращенной к нам стороне

На этом снимке крупным планом представлен центр галактики Центавр A, обильно «засыпанный» межзвездной пылью, сквозь которую видно мерцание новых голубых звезд и областей HII. Центавр А – активная галактика, в которой идут процессы звездообразования и роста сверхмассивной черной дыры

На протяжении всей истории наблюдательной астрономии, практически без исключений, ее предмет был одним и тем же – сбор фотонов. Мы – охотники за светом, а эти фотоны – наша единственная прямая связь с дальней Вселенной, ведь их путешествие к Земле от далекой звезды или газового облака заняло, возможно, миллиарды лет. Они практически не встречают препятствий на своем пути, лишь изредка поглощаясь и вновь излучаясь, трансформируясь или отражаясь. В этом плотном потоке света закодирована информация, которую мы должны изучить, чтобы познать историю космоса. К сожалению, учитывая колоссальный размер разделяющего нас расстояния, количество той энергии, которая доходит до Земли из любой галактики, невероятно мало. Чем дальше мы пытаемся, тем сложнее это становится: галактики выглядят все меньше, бледнее, и их труднее обнаружить. Что еще хуже, те мельчайшие сигналы – небольшие порции света, засекаемые нашими детекторами и представляющие собой ничтожную каплю в океане всего излучения, – которые все-таки достигают пределов Земли, тонут вкипящем море электромагнитного шума как естественного, так и искусственного происхождения: от солнечного света, уличных огней, радиопередач и поглощения и повторного испускания инфракрасного излучения каплями воды и водяным паром в атмосфере.

Эллиптическая галактика NGC 1132 отлично иллюстрирует тезис о безупречной сферической форме массивных древних галактик. Эллиптические галактики, как правило, пассивны: они прошли период сборки своей звездной массы в более раннюю эпоху Вселенной, когда интенсивность процесса формирования галактик была значительно выше. Как правило, эллиптические галактики обнаруживаются в самом плотном окружении – звездных группах и скоплениях – и, скорее всего, прошли через период активных слияний в прошлом. Вокруг NGC 1132 можно увидеть тысячи шаровых звездных скоплений, которые маленькими световыми точками окружают звездное свечение галактики. Как и всегда, фон снимка полон еще более далеких галактик – тех самых «городов», оставшихся за пределами нашего видения

Чтобы уловить эти драгоценные частицы информации, астрономам приходится разрабатывать все более хитроумные стратегии и техники, позволяющие очистить их и привести в пригодное для изучения состояние.

Все сводится к двум важнейшим инструментам: телескопу, захватывающему и фокусирующему свет, и детектору, записывающему эту информацию. Самой главной целью в нашей науке всегда была разработка более крупных телескопов и более чувствительных камер и детекторов. К сожалению, астрономическое оборудование очень сложное и дорогостоящее и неизбежно становится все сложнее и дороже. Большинство профессиональных астрономов (таких, как я) не проводят исследования на телескопах, принадлежащих их институтам: они слишком малы и плохо расположены (с точки зрения погодных условий), чтобы выполнять наблюдения необходимым уровнем чувствительности. Так что эти телескопы в основном используются для образовательных целей. Для проведения современных исследований астрономы объединяются в многонациональные консорциумы, привлекая финансирование и экспертное сообщество для создания гигантских телескопов и соединяющихся с ними астрономических камер. При этом в мире есть лишь несколько мест, где можно разместить такие сооружения: поставьте сложнейший телескоп туда, где бол́ьшую часть времени облачно, – и вы зря потратите время и деньги.

Лучшие места для установки телескопов, как правило, расположены высоко в горах, в сухом климате и достаточно далеко от любых цивилизованных поселений, чтобы засветка не снижала качество наблюдения. Разумеется, всегда есть возможность разместить телескопы в космосе (самый известный пример – «Хаббл»), но история с финансированием и техническим сопровождением такого проекта будет не менее сложной. Одно из лучших мест на Земле для ведения астрономических наблюдений – пик Мауна-Кеа высотой более чем 4000 м, расположенный на острове Гавайи, который стал домом для многих лучших телескопов мира. Среди лучших локаций и самая сухая в мире пустыня – чилийская Атакама, где находятся Европейская южная обсерватория и новый комплекс радиотелескопов Атакамская большая [антенная] решетка миллиметрового диапазона, а также Южный полюс – замечательный сухой регион, на котором действует нейтринная обсерватория IceCube.

По мере того, как Земля вращается, «неподвижные» звезды оставляют свой след на небе. На этом снимке с длинной выдержкой – Очень большой телескоп на горе Серро-Параналь, который выглядит карликом на фоне небесной сферы. Даже просто глядя в это бесконечное пространство, мы можем исследовать Вселенную и ее состав и пытаться понять, как она возникла

В мире полно астрономов, мириады астрономических целей, сравнительно немного телескопов и крайне мало времени в году, когда можно проводить наблюдения. Так как же нам все-таки удается сделать хоть что-то? Решение довольно простое: астрономы соревнуются друг с другом за получение доступа к каждому телескопу, составляя краткий запрос с указанием того, что именно они хотят наблюдать и почему, и приводя научное обоснование необходимости проведения исследования.

Предложения направляются в Комитет распределения времени наблюдений с помощью телескопа (англ. Telescope Allocation Committee, TAC), где группа научных сотрудников рассматривает каждый запрос, оценивая научную значимость и осуществимость эксперимента, и затем распределяет драгоценное время пользования каждым телескопом. Если вы хотите просто сделать снимок Луны с помощью восьмиметрового телескопа VLC в Чили[2], у вас нет ни единого шанса попасть в график его использования. Но если вы активно работаете в актуальном и востребованном направлении и предлагаете какой-то новый интересный эксперимент, обещающий серьезно повлиять на дальнейшее развитие науки, вам может повезти получить временный доступ к телескопу. А если вы хотите сделать что-то совершенно безбашенное (интересное, но с высоким риском неудачи), вас могут попросить сократить проект и провести первичные пилотные работы, которые позволят оценить осуществимость эксперимента, например понаблюдать за одной галактикой вместо десяти, изучить то, что вы обнаружили, а потом уже вернуться к этому в следующем году. Разумеется, на самые большие телескопы, расположенные в самых выгодных для наблюдения регионах и снабженные самым лучшим оборудованием, у нас очень высокий спрос. С похожими проблемами сталкиваются и те астрономы, которые, как правило, не используют телескопы, то есть астрономы-теоретики и работающие с симуляторами, так как бо́льшая часть их исследований выполняется на суперкомпьютерах. Теоретики предпочитают огромные мощные компьютеры, которые могут выполнять самые большие и сложные вычисления, и им нередко приходится биться за время работы на общих компьютерных комплексах высокой производительности – процесс получения разрешения протекает примерно так же, как и у тех, кто добивается доступа к телескопу. К счастью, эти машины не нужно вывозить в столь экзотические и удаленные места: кондиционируемого помещения со стабильной подачей электричества будет вполне достаточно.

Подготовка запроса на получение доступа к телескопу немного отличается от написания научного текста. Все, что нужно сделать, – это продать идею: сделать так, чтобы проект выглядел захватывающим и оригинальным, но в то же время осторожным и консервативным – нельзя быть слишком алчным в своих потребностях, но следует просить достаточно времени, чтобы успеть сделать что-то действительно полезное. Готовя эту бумагу, вы проходите по лезвию бритвы. Как правило, телескопы (или комплексы телескопов, как в Европейской южной обсерватории) делят год на два семестра, и каждый год объявляется несколько «конкурсов заявок». Традиционно астрономы оставляют подготовку предложений строго до дедлайна подачи, что приводит к истерическому написанию заявки в последний момент, когда они пытаются свести воедино сопроводительные цифры, по 20 раз перепроверить время выставления выдержки и технические детали и причесать текст так, чтобы он показался привлекательным Комитету распределения времени. И если им все-таки повезло и комитет наградил их временем доступа к телескопу, которое обычно нарезано на часы или ночи, то теперь они смогут сделать то, чего так страстно желают все астрономы мира: собирать фотоны, изучать Вселенную, лежащую за пределами наших органов чувств, и смотреть на просторы, которые не видел еще ни один человек. Как по мне, эта радость открытия и есть то, что вызывает наибольший азарт в нашей области науки.

Пройдя всю Вселенную и зачастую проведя в путешествии больше миллиардов лет, чем составляет вся история Земли, горстка фотонов, излученных далекими галактиками, попадает в зеркальную ловушку телескопа и фокусируются на детекторе. В этом заключается принцип работы телескопа. Чем сильнее становится наша страсть к как можно более качественной сборке этих драгоценных фотонов, тем больше становятся и сами телескопы: чем больше зеркало, которое собирает фотоны, тем больше света мы можем уловить, а значит, повышается и шанс «поймать» даже самые тусклые и далекие галактики. Когда мы говорим о свете, который был излучен какой-нибудь дальней галактикой, мы определяем его двумя показателями. Первый – это светимость галактики, то есть вся энергия, которая излучается галактикой каждую секунду (а ее очень много). Кроме того, есть еще свет, который мы, по сути, и улавливаем – наблюдаемый поток (а вот его очень мало). Он представляет собой энергию, которую мы перехватываем здесь, на Земле, и которая составляет мельчайшую долю от всей светимости галактики.

На этом снимке – зеркало и камера четырехметрового обзорного телескопа VISTA, расположенного на горе Серро-Параналь возле телескопа VLT Южной обсерватории в чилийской пустыне Атакама. Одна из его главных задач – проводить крупномасштабные исследования неба в ближнем инфракрасном диапазоне, где он может засечь большое количество очень далеких, а значит, и очень древних галактик. Секрет его успеха – широкоформатная ПЗС-камера VIRCAM: собранный четырехметровым зеркалом свет перенаправляется и фокусируется на камере, что позволяет делать большие снимки ночного неба

Представим далекую галактику в виде 60-ваттной лампочки или ее ближайшего энергетического эквивалента. Свет от нее будет излучаться во все стороны, то есть изотропно. А теперь представим, что мы сооружаем сферу, окружающую нашу лампочку со всех сторон. Пусть вся сфера будет матовой, за исключением одного маленького вырезанного квадрата – для точности предположим, что его размер 1 × 1 см. Поскольку излучение изотропно, поток, сияющий (а точнее, текущий) через эту сферу, может быть определен исходя из мощности лампочки и радиуса сферы. Эти 60 ватт растекаются по поверхности сферы, и чем большей мы ее сделаем, тем больше они растекаются. Поток, выходящий через маленький квадрат в сфере, может быть измерен вычислением соотношения вырезанного участка сферы ко всей ее поверхности. Поскольку светимость лампочки (60 ватт) постоянна, если мы сделаем сферу больше, то исходящий через отверстие поток будет меньше. На практике поток течет в соответствии с законом обратных квадратов: если сделать радиус вдвое больше, интенсивность излучения, проходящего через одну и ту же площадь, будет обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника и снизится в четыре раза. Увеличим радиус вчетверо – и интенсивность потока снизится в 16 раз. Как можно заметить, в астрономических масштабах эти гигантские объемы светимости превращаются в маленькие наблюдаемые потоки довольно быстро. Но если вы измерите поток, зная при этом расстояние до его источника или имея какие-то приблизительные его оценки, то сможете использовать закон обратных квадратов, чтобы определить светимость – примерно это мы обычно и хотим сделать, поскольку именно этот путь позволяет узнать, формируются ли в ней все еще новые звезды или нет.

А теперь давайте заменим лампочку какой-нибудь далекой галактикой и посмотрим на нее через наш телескоп. Теперь вместо сферы, окружающей лампочку, представьте вокруг этой далекой-далекой галактики гигантскую невидимую сферу, на поверхности которой примостилась Земля. Поток энергии, то есть фотоны, движется от галактики сквозь эту сферу. Наша задача – уловить какую-то долю этого света, используя зеркала телескопа. Проблема в том, что площадь нашего телескопа по сравнению со всей площадью воображаемой сферы крайне мала, поэтому мы можем уловить лишь ничтожно малую долю этих фотонов. Вот почему мы постоянно создаем телескопы все бо́льших размеров.

«Хаббл», который наблюдает за Вселенной с крайне удобной позиции – за пределами земной атмосферы, – благодаря своим выдающимся возможностям к производству четких снимков произвел революцию в нашем представлении о галактиках. Запущенный в 1990 году, «Хаббл» и сегодня продолжает поставлять науке уникальные данные

На самом деле, как уже было отмечено выше, на Земле крайне мало телескопов, которые могли бы выполнять наблюдения так, как нам нужно, учитывая то, что новые объекты всегда светят слабее и находятся дальше, а наблюдаемая Вселенная безгранична. Поэтому такие телескопы должны не только быть большими, но зачастую еще и размещаться в экстремальных местах: на вершинах гор, на высоких плато или, что еще лучше, в космосе. Все потому, что после путешествия длиной в 10 млрд лет эти фотоны, прежде чем попасть на наши детекторы, должны пройти последний барьер – атмосферу Земли. Она полна помех – из-за молекул, поглощающих фотоны; еще больше положение ухудшают определенные световые частоты. Атмосфера работает как фильтр, который блокирует часть лучей, идущих из космоса. Возьмем, к примеру, ультрафиолетовые (УФ-) фотоны: они представляют собой весьма полезный для астрофизики образец, так как их излучают молодые массивные звезды. Благодаря этому определение уровня интенсивности УФ-излучения галактики может использоваться для установления активности формирования звезд (хотя это довольно сложный процесс). Однако атмосфера Земли исключительно хорошо поглощает УФ-фотоны. И это прекрасно, потому что так она защищает нас от смертельного облучения солнечными УФ-лучами. Но она же делает занятие УФ-астрономией на Земле исключительно трудным, позволяя захватить волны длиной примерно 300 нм, прежде чем все УФ-излучение будет заблокировано. Однако стоит разместить УФ-чувствительный детектор в космосе, за пределами атмосферы, – и проблема исчезает. Один из современных орбитальных космических телескопов – работающий в УФ-диапазоне GALEX (от англ. Galaxy Evolution Explorer – «Исследователь эволюции галактик») – был запущен в 2003 году и закончил свою миссию в 2013-м. GALEX должен был измерять УФ-излучение, выпущенное молодыми массивными звездами в ближних и дальних галактиках, чтобы воссоздать историю формирования звезд во Вселенной. Он выполнял наблюдения, проведение которых на Земле просто невозможно.

Атмосфера не только поглощает часть излучения, которое мы хотим собирать, – она также задает направление, в котором фотоны движутся. Это приводит к получению искаженных и размытых изображений, как если бы мы пытались сфотографировать монету на дне бассейна. И здесь вступает в игру принцип преломления: изменение направления луча (волны), возникающее на границе двух сред, через которые этот луч проходит, меняя скорость. Наша атмосфера – не гладкая и не однородная; она состоит из большого количества разных движущихся и турбулентных слоев и «клеток». Если вы посмотрите не на монету в бассейне, а попытаетесь сфокусироваться на свете звезды, больше похожей на точку на небосводе, то увидите не стабильное яркое свечение, а его размытую, как бы мерцающую версию. Степень размытости, возникающей из-за атмосферы, называется видимостью, и еще совсем недавно она была фундаментальным препятствием для увеличения резкости изображений астрономических объектов, которые можно было сделать с поверхности Земли.

Один из четырех телескопов VLT Европейской южной обсерватории в процессе работы. Яркая полоса стреляет в небо мощным лазером, который используется для создания искусственной «звезды-поводыря» путем возбуждения атомов натрия высоко в атмосфере. Возбужденный натрий светится, как звезда, свет которой используется в качестве эталонного источника для выполнения корректирующей адаптивной оптики, которая может повысить четкость изображений, снятых с Земли, и компенсировать эффект размытия, возникающий из-за турбулентной атмосферы планеты

Для решения этой проблемы есть два пути. Первый – самый простой: запустите телескоп в космос, чтобы вообще не нужно было смотреть через атмосферу. Однако здесь есть другая сложность: запуск объектов на орбиту – слишком дорогой и рискованный процесс. Рискованный потому, что вы должны запустить хрупкий и дорогостоящий инструмент на орбиту, прикрепив его к ракете. Но и отдача велика, и мы, разумеется, приходим к концепции всемирно известного детища космической съемки – телескопа «Хаббл». Он довольно мал, если сравнивать площадь его зеркала сплощадью зеркал наземных телескопов (зеркала очень тяжелые, и поэтому тащить их в космос очень затратно), но зато ему не приходится бороться с поглощением или искажением излучения в атмосфере, так что он производит исключительно четкую и высокочувствительную съемку. Второй путь – разработка какой-то наземной технологии, которая позволит скорректировать помехи, вызванные земной атмосферой. В этом случае можно использовать самые большие зеркала, вес которых не позволяет развернуть их в космосе. Тогда видимость с поверхности Земли улучшится, и разрешение наземных телескопов с такой технологией может даже превзойти «Хаббл». Секрет заключается в активном контроле оптики телескопа, чтобы компенсировать стремительно меняющуюся модуляцию поступающих световых лучей, в результате корректируя искажения, вызванные атмосферой. Чтобы добиться эффективности выполнения исследований, эту коррекцию нужно производить несколько сотен раз в секунду. Звучит нереально, не правда ли? Тем не менее технология существует – это называется адаптивной оптикой, и вот как она работает.

Представьте, что вы бросили камень в бассейн со стоячей водой и наблюдаете за тем, как по поверхности воды расходятся круги от точки его падения. Возле места удара круги сохраняют отчетливую округлую форму, но чем дальше от него, тем шире становится их окружность и тем больше они становятся похожими на параллельные волны. Те же принципы действуют и в отношении лучей света от отдаленных астрономических источников, входящих в столкновение с атмосферой Земли. К тому моменту, когда излучение достигает Земли, световые лучи приобретают форму идеальных параллельных волн, но при прохождении через атмосферу ее молекулы нарушают это идеальное состояние и искажают параллельные очертания, что и приводит к «размыванию» изображения. Для научных целей нам необходимо убрать это вмешательство, возвращая входящим волнам их параллельное состояние.

Чтобы это сделать, нужно отслеживать искажения в ярком эталонном «точечном» источнике, подобном звезде. При отсутствии атмосферных искажений звезда должна выглядеть как одиночный устойчивый источник света с характерными формами. Если рядом с местом вашего наблюдения такой яркой звезды нет, на помощь приходят телескопы с мощным лазером, который может создать фальшивую звезду, захватывая атомы натрия, находящиеся в тонком слое атмосферы на высоте 100 км. Отслеживая модуляции этого опорного источника в виде искусственной звезды, специальная аппаратура выявляет и корректирует искажения, вносимые земной атмосферой, как если бы мы смотрели на него не через атмосферу, а из космоса, – для приближения к реальным условиям размеры зеркала телескопа могут быть изменены (совсем немного). Один из способов достижения такой компенсации – использование специально сконструированных зеркал с крошечными сегментами, которые могут двигаться вверх и вниз, изменяя очертания поверхности зеркала, что позволяет разгладить входящие волновые фронты. Это примерно то же, что подбросить в воздух теннисные мячики, а затем попытаться поймать их все строго в один и тот же момент. Результаты работы адаптивной оптики изумительны – почти 30-кратное улучшение разрешения по сравнению с обычными наземными наблюдениями.

Охота на фотоны при помощи зеркал сама по себе бессмысленна. Чтобы получить какие-либо научные результаты, эта энергия должна быть записана: здесь нам поможет прибор с зарядовой связью, или ПЗС (англ. Charge-Coupled Device, CCD). Это устройство, заменившее фотопластины прошлого, вот уже более 20 лет используется практически во всех астрономических детекторах. Сегодня данная технология используется во всех сферах нашей жизни. И как же она работает?

ПЗС – это двумерный массив детекторов, аналогичный пикселям в цифровом изображении (в своем простейшем применении они фактически создают содержимое пикселей в изображении). Каждый детектор выполнен из полупроводника, выполненного, как правило, из поликремния; фотон, попадая на один из таких детекторов, может вырабатывать небольшой электрический заряд. Количество заряда, возникшего в результате прохождения фотона через детектор, увеличивается линейно, так что если мы погрузим наш чип в фотоновую ванну, другими словами «экспонируем» ПЗС, то сможем создать большой заряд, который будет соответствовать количеству света, попадающего на него во время экспозиции. Зарядом можно управлять с помощью напряжений, и поэтому после подходящего времени экспозиции мы можем «считывать» заряд в каждом пикселе, перетаскивая сигнал в каждом детекторе на края ПЗС, где он может быть электронно усилен и пропущен через преобразователь, который превращает аналоговое напряжение в цифровой сигнал (так называемый аналого-цифровой преобразователь). На этом этапе мы можем сохранить информацию для последующих поколений в двумерном массиве пикселей – цифровом изображении, загруженном в память. И здесь начинается самое веселье.

Для вашей цифровой камеры закрытие затвора является завершением ее работы. Изображение, получаемое на экране, обычно представляет собой чрезвычайно точное воспроизведение сфотографированного вами объекта и не требует большой, если вообще какой-либо, последующей обработки. Но повседневная фотография пользуется преимуществом, в котором столь нуждаются астрономы и которого, как правило, им не хватает, – отношением «сигнал – шум». Проще говоря, сигнал, который мы обычно ищем, например свет, испускаемый какой-то далекой галактикой, часто затмевается излучением с неба и может быть сопоставим по размеру со случайными флуктуациями или шумом при считывании каждого детектора. Иногда нам даже приходится беспокоиться о количестве «темного» сигнала, возникающего из-за образования заряда в каждом детекторе в результате теплового производства электронов в полупроводнике и присутствующего, даже когда на ПЗС не падает свет. То есть, если кратко, необработанные астрономические данные – это безобразная свалка информации. Мало того, что нам обычно приходится комбинировать множество экспозиций одного и того же участка неба в поисках нужного сигнала, так мы еще и должны проводить серьезную последующую обработку, чтобы получить изображения научного уровня или хотя бы того, что можно было бы счесть «красивыми картинками». Этот процесс называется сокращением данных, так как мы начинаем работу с большим количеством данных и в итоге отбрасываем существенную часть, сводя их в одно изображение.

ПЗС – не единственные детекторы, востребованные в астрономии. Мы постоянно развиваем (вернее, эксплуатируем) технологии, позволяющие обнаруживать другие формы излучения далеких галактик. Например, я пишу этот текст, сидя в гостинице в Хило, на Большом острове Гавайи. Я здесь, потому что помогаю с вводом в эксплуатацию новой камеры на телескопе Джеймса Клерка Максвелла под названием SCUBA-2. Это камера, чувствительная к субмиллиметровым волнам, то есть к свету с длинами волн 450 и 850 микрон.

В этом случае не подойдет традиционное полупроводниковое устройство – понадобится нечто куда более экзотическое. SCUBA-2 по-прежнему использует двумерный массив пикселей, но при этом каждый детектор – это сверхпроводящий «датчик границы перехода», который поддерживается при температуре чуть выше абсолютного нуля. Эти устройства могут измерять субмиллиметровые фотоны по небольшому изменению температуры, которое они передают при попадании на детектор, что меняет электрическое сопротивление (его можно измерить как небольшой сдвиг в напряжении, обычно в миллиардную долю вольта). Напряжения можно преобразовать в цифровой сигнал, который затем сохраняется. Таким образом мы получаем способ записи попадающего к нам света. Как показывают эти примеры, подходы к практической реализации задачи зависят от движения вдоль электромагнитного спектра, но общим во всех вариациях остается преобразование входящего электромагнитного потока в цифровой сигнал: его можно откалибровать так, чтобы получить данные о количестве энергии, поступившей на определенную частоту света. Это и есть наш ключ к интерпретации результатов наблюдений за далекими галактиками.

Прежде чем SCUBA-2 приступит к своим научным обязанностям, следует досконально изучить механизмы работы камеры и данные, которые она может поставлять. То есть мы пытаемся не только использовать инструмент, чтобы найти что-то новое, но и разобраться в нем самом. Эта камера была установлена на телескопе совсем недавно, и, пока я пишу эти строки, ее готовят к эксплуатации, проводя множество испытаний и устанавливая многочисленные настройки. К тому времени, когда вы начнете читать эту книгу, SCUBA-2 будет проводить настоящие астрономические исследования.

Внедрение в промышленную эксплуатацию любого нового инструмента – процесс сам по себе захватывающий, как бы этот механизм ни расстраивал и ни разочаровывал техников и инженеров, которые его создали. Но наша задача – не просто встроить прибор в телескоп и открыть затвор. В случае со SCUBA-2 весь агрегат сначала должен быть охлажден до криогенных температур – около градуса выше абсолютного нуля, – после чего уже проверяются все отдельные детекторы: каждый ли работает, все ли они одинаково реагируют на входящие фотоны, какие могут быть искажения. Кроме того, необходимо разработать новое программное обеспечение для управления камерой и обработки исходных данных, которые с нее поступают. Все эти подготовительные процессы требуют немало времени, но они крайне важны для успешного проведения научных экспериментов: чтобы корректно интерпретировать новые результаты, нам необходимо точно понимать, как работает прибор.

На субмиллиметровых длинах волн основная часть сигнала, который видит камера, на самом деле исходит от атмосферы Земли, и эта составляющая чрезвычайно изменчива. Сигнал с неба, равно как и случайные смещения, рост усиления и скачки данных, вызванные различными сбоями и другими происками злых сил, должен быть аккуратно выделен из общего массива. Поскольку устройства камеры SCUBA-2, которые считывают сигнал, также являются отличными магнитометрами, мы получаем на картах еще и некоторое остаточное «излучение», вызванное загрязнением от магнитного поля Земли. К счастью, мы можем удалить этот сигнал, используя некоторые хитрые методы обработки и экранируя чувствительный инструмент от как можно большей части магнитного поля. Причина, по которой нам нужна субмиллиметровая камера, заключается в том, что галактики испускают огромный спектр разнообразных форм излучения, источники которого – различные компоненты галактик и происходящие в них физические процессы. В случае субмиллиметровых полос этот свет связан с холодной пылью и газом в областях звездообразования. Но мы должны научиться улавливать все формы электромагнитной энергии, приходящей к нам из других галактик.

Каждый день мы имеем дело с самыми разными проявлениями электромагнитного излучения, будь то рентген в больнице, микроволновая печь на кухне или аналоговое радио. Совершенно очевидно, что источники (и природа) излучения, с которым мы сталкиваемся каждый день, сильно различаются и играют разные роли в нашей жизни, но они постоянно нас окружают. Нашим глазам доступны только те волны, к восприятию которых они приспособлены, тогда как радиоприемники и телевизоры могут «видеть» – в некотором смысле – фотоны с длинами волн, намного превышающими видимый свет.

Представьте, что вы можете видеть только радиоволны – тогда мир вам казался бы совсем иным. На самом деле он был бы абсолютно неузнаваемым по сравнению с тем, что мы видим обычно. Но радио могло бы рассказать вам о нашем мире что-то совершенно новое, чего нет в обычном, видимом свете. Только взглянув со всех возможных углов, мы можем создать целостную картину того, как работают галактики. Это называется многоволновым подходом.

Лучшим примером этого подхода могут стать многоволновые изображения нашей Галактики. Все небо нанесено на карту при помощи различных телескопов – от использующих гамма- и рентгеновские лучи очень высоких энергий до УФ-и видимого диапазонов, ближнего, среднего и дальнего инфракрасного и миллиметрового и, наконец, радиодиапазонов. На изображениях неба на любой длине волны преобладает излучение диска и балджа нашей Галактики, и эти карты обычно сориентированы так, чтобы диск горизонтально проходил через центр изображения, проецируясь в то, что мы называем галактическими координатами.

Оптический, или видимый, свет показывает излучение звезд, но по направлению к средней плоскости диска и в центре балджа есть темные пятна, где вид заслоняет межзвездная пыль. Если обратиться к ближнему инфракрасному диапазону (с длинами волн несколько микрон), картина изменится. Мы все еще видим звезды, но на этот раз темных пятен стало меньше: фотоны ближнего инфракрасного диапазона рассеиваются и поглощаются не так легко, как фотоны с оптической длиной волны, что позволяет нам смотреть сквозь межзвездную пыль, как если бы ее там не было. Сейчас мы видим преимущественно свет более старых звезд в Галактике, которые излучают бо́льшую часть своего света в ближней инфракрасной области спектра, причем балдж и диск ярко светятся. Перейдем к дальнему инфракрасному излучению: здесь мы увидим свечение самой межзвездной пыли, снова сконцентрированной в диске и переизлучающей энергию, которую она поглотила от падающего звездного света. Если мы взглянем на очень специфическую радиочастоту – 1,4 ГГц (эквивалентной длине 21-сантиметровой волны), – то обнаружим в Галактике атомарный водород. В этом случае балдж будет не таким заметным, потому что бо́льшая часть радиоизлучения берет свое начало в узкой средней плоскости с атомарным газом в плотном диске Млечного Пути. Если продолжить и просканировать весь электромагнитный спектр, то мы получим полный комплект волн. Все эти разные виды на нашу Галактику представляют собой слои, которые мы можем снять, чтобы понять ее структуру и физику. Мы можем проделывать это как с нашей Галактикой, так и с любой другой. Главное, что мы должны понимать, – любое одноволновое представление о галактике всегда будет неполным, и только объединив данные, мы сможем увидеть полную картину.

Обычно, когда мы просто делаем снимок неба с помощью телескопа, ПЗС или какого-либо другого детектора, мы лишь собираем весь свет, который проходит через какой-то фильтр перед детектором или, в радиоастрономии, диапазон частот, передаваемый приемником, который работает иначе, чем ПЗС. В режиме видимой и ближней инфракрасной длины волны фильтры разделяют оптическую (видимую) часть электромагнитного спектра на сегменты, переходя от синего к красному, – вместе они называются фотометрическими системами. Каждый фильтр ограничивает диапазон частот света, который может попасть в детектор. Самые широкие, то есть охватывающие самый большой диапазон по частоте, – широкополосные фильтры. Изображения далеких галактик, полученные с помощью таких фильтров, предоставляют морфологическую информацию о распределении звездного света: форме галактики (скажем, спиральной или эллиптической), размере балджа по сравнению с диском и т. д. Такие изображения – и есть самая привлекательная сторона астрономии. Но в этом широкополосном свете закодировано намного больше информации. Он может быть разложен подобно белому свету, проходящему через стеклянную призму: цвета, составляющие белый свет, разделяются, потому что монохроматические фотоны преломляются, или изгибаются, слегка различаясь в зависимости от их частоты, то есть цвета. Поэтому когда белый свет проходит через призму, мы и видим радугу цветов – мы рассеяли свет.

Представьте, что вы держите призму и проецируете радугу на экран. Если измерить интенсивность света в каждом из цветов, можно обнаружить, что она увеличивается и падает с каждой определенной отметкой, достигая пика около зеленой/желтой отметки, – это «спектр» нашего Солнца: распределение энергии, испускаемой как функция частоты. Мы можем использовать спектр, чтобы узнать о составе и физике Солнца. Но это всего лишь одна звезда; измеряя спектры целых галактик, мы видим комбинированный свет миллиардов звезд, а также газ между ними.

Чтобы измерить астрономические спектры, мы можем использовать и детекторы ПЗС для записи фотонов, но критически важным здесь становится наличие в аппаратном обеспечении дисперсионного элемента. Он может представлять собой призму или, что сегодня встречается чаще, решетку (по сути это набор узких щелей, расположенных близко друг к другу, которые рассеивают свет за счет дифракции при прохождении волн через решетку) или гризму (объективную призму), то есть комбинацию призмы и дифракционной решетки, которая пропускает свет, не смещая его спектр. Каким бы ни был дисперсионный элемент, его цель – разделение света в соответствии с частотами его компонентов, поэтому белый свет или любой диапазон частот, пропущенный фильтром, становится радугой. Это дорого обходится с точки зрения времени, которое необходимо потратить на проведение наблюдений, ведь, когда мы рассеиваем свет, полная энергия в световом пучке распределяется в соответствии с интенсивностью спектра. Подобно маслу, которое мы размазываем по хлебу, в этом случае свет распределяется по большему количеству ПЗС-пикселей, чем если бы он не проходил через дисперсионный элемент. Поэтому в данном случае, как правило, требуется гораздо более длительная экспозиция для получения спектра, чем при простом фотографировании объекта, где весь свет концентрируется на меньшем количестве пикселей.

Одного наличия чувствительной аппаратуры и больших телескопов недостаточно; географическое расположение этих объектов также имеет большое значение, и, поскольку мы постоянно расширяем границы исследований, астрономы предъявляют все более высокие требования к местам, где можно разместить телескопы. Одно из них – скромная гора Серро-Параналь высотой 2000 м в чилийской пустыне Атакама, расположенная примерно в 120 км к югу и вглубь от северного прибрежного города Антофагасты и почти в 1000 км к северу от Сантьяго. Достаточная высота, исключительно засушливые условия, стабильная атмосфера и удаленность делают эту локацию прекрасным местом для астрономических наблюдений. Из Южного полушария можно увидеть Большое и Малое Магеллановы Облака. Эти две карликовые галактики – мало-массивные, относительно слабые и отнесенные к классу нерегулярных – являются спутниками гораздо бо́льшего Млечного Пути и множества известных созвездий, таких как Южный Крест, которые не видны из Северного полушария. Многие интересные галактики, которые мы хотели бы наблюдать, да и в принципе большая часть неба, видны только из Южного полушария, так же как и некоторые галактики видны только из Северного. Вот почему нам нужны телескопы в обоих полушариях – еще одна проблема для наблюдателей, оказавшихся в ловушке на поверхности маленькой сферы.

Паранал – это дом поразительных телескопов VLT Европейской южной обсерватории. В настоящее время только два телескопа Кека на вершине Мауна-Кеа на Большом острове Гавайи (еще одной из ключевых позиций для наземной астрономии) с их 10-метровыми сегментированными зеркалами превышают 8-метровый класс оптических телескопов. На Земле есть телескопы с тарелками, намного превышающими 10 м, но они предназначены для обнаружения фотонов с бо́льшей длиной волны, например радиоволн. Отражающие поверхности радиотелескопов выполняются не из посеребренного стекла, потому что радиоволны легко отражаются другими материалами, такими как бетон или алюминий, к тому же изготавливать из них очень большие тарелки намного проще, чем из стекла. Именно поэтому физические размеры телескопов, которые обнаруживают видимые и ближние инфракрасные фотоны, ограничены.

Магеллановы Облака – это две карликовые галактики, являющиеся спутниками Млечного Пути. Облака названы в честь Фердинанда Магеллана – португальского исследователя. Путешествия привели его в южные широты, где видны эти облакоподобные структуры; до него их уже отмечали в своих трудах европейские исследователи в эпоху позднего Средневековья в XV веке, а до них – персидские астрономы в X веке. А для коренных народов Южного полушария Магеллановы Облака уже несколько тысяч лет являются частью привычной картиныночного неба

Зеркала – или «световые ведра», как мы их называем, – лишь одна из частей телескопа. Телескопы VLT оснащены целым арсеналом оборудования, необходимого для захвата, записи и измерения собранных фотонов, например камерами, спектрографами и измерителями интегрального поля, которые могут улавливать фотоны как с ультрафиолетовой длиной волны (до того, как атмосфера Земли начнет блокировать все, что находится ниже длины волны около 300 нм), так и в ближней инфракрасной области на длине волны около двух микрон. Если телескоп или инструмент, прикрепленный к нему, не назван в честь человека (обычно известного астронома), то он обычно становится известен под какой-либо аббревиатурой – даже космический телескоп «Хаббл», названный в честь астронома Эдвина Хаббла, часто называют просто КТХ. У нас среди прочих есть телескоп VLT Европейской южной обсерватории, оснащенный такими инструментами, как ISAAC (от англ. InЂared Spectrometer and Array Camera – Инфракрасный спектрометр и матричная камера), FLAMES (рус. «пламя»; от англ. Fibre Large Array Multi-Element Spectrograph – Многоэлементный спектрограф с большим массивом волокон), HAWK-I (рус. «ястреб»; от англ. High Acuity Wide field K-band Imager – Широкополосный регистратор K-диапазона с высокой четкостью) и VIMOS (от англ. Visible Multi Object Spectrograph – Мультиобъектный спектрограф видимого света).

Точное описание этих приборов не так уж важно. Я просто выбрал их наугад из длинного списка камер и детекторов, используемых в настоящее время. Дело в том, что на разные вопросы, которые ставит перед собой наука, можно отвечать, используя разные инструменты. Например, мы могли бы создать простое изображение галактики с помощью камеры HAWK-I, оснащенной ПЗС, чувствительным к ближнему инфракрасному излучению. Возможно, мы хотим сделать карту более старых звезд в какой-то галактике. Получив наше изображение, мы сможем использовать инфракрасный спектрометр и матричную камеру ISAAC для измерения спектра ближнего инфракрасного света. Сделать это можно, разместив узкую щель на пути света, исходящего из галактики, – и, следовательно, изолировав его от всего остального света, исходящего от неба, или даже от остальных частей самой галактики. Затем нужно рассеять ближний инфракрасный свет от галактики и разбить его на составляющие – аналогичным образом капли дождя образуют радугу, рассеивая солнечный свет. Это позволит определить, сколько энергии испускается на разных частотах, а подробная форма спектра предоставит информацию о составе звезд и газа и об их относительных движениях в галактике.

Надстройка телескопа, включающая в себя защитный купол, зеркала, распорки, вычислительную инфраструктуру диспетчерского пункта, операторов и даже бетонный постамент, на котором все это находится, – довольно статичный процесс, но самое замечательное в инструментах – то, что их можно заменить на новые, если их предшественники сломались или устарели. Старые инструменты демонтируют, а новые устанавливают в специальные порты, куда направляется свет, собранный основным зеркалом. Он рассеивается в определенную сторону благодаря тщательно спроектированной оптической направляющей. Огромное количество усилий и изобретательности инженеров направлено на разработку новых приборов для телескопов, чтобы удовлетворить постоянно возрастающие потребности науки, которые обычно заключаются в достижении более высокой чувствительности и эффективности приборов и снижении их стоимости. Это вынуждает искать новые решения за пределами астрономии, например в сферах ПЗС-датчиков и оптики. Есть также взаимодействие с областями, работающими, казалось бы, в совершенно другой плоскости, такими как медицина: к примеру, принципы измерения волнового фронта, используемые в адаптивной оптике, могут применяться для компенсации дегенерации желтого пятна в человеческом глазу.

Резиденция астрономов, или отель Residencia, на горе Серро-Параналь действительно необычна. В этом отеле размещаются астрономы и другие сотрудники, работающие в Паранальской обсерватории, и больше всего он напоминает логово злодея из фильмов про Бонда (кстати, именно здесь проходили съемки нескольких эпизодов «Кванта милосердия»). Резиденция расположена в нескольких километрах от телескопов, которые находятся на вершине Серро-Параналь. Геометрический фасад отеля выполнен из бетона и окрашен в такой же красный, марсианский оттенок, как и сама пустыня, ажурный фасад здания оформлен стеклами, но бо́льшая его часть спрятана прямо в теле горы: там находятся комнаты, ресторан, тренажерный зал и офисы. Вход в резиденцию – атриум, больше похожий на каверну, украшенную субтропическими растениями. Главным его украшением стал бассейн, который увлажняет необычайно сухой воздух, а также охлаждает разгорячившихся астрономов. Это невероятное место для работы.

Во время наблюдательной поездки к телескопу VLT я имел честь наблюдать за строительством телескопа VISTA – четырехметрового аппарата вдвое меньше телескопа VLT, и предназначенного только для одной цели: проводить большие наблюдения. Он оборудован огромной цифровой 67-мегапиксельной камерой с зеркальным объективом, которая позволяет сделать снимок неба диаметром 1,65 градуса (около трех диаметров полной Луны). Большая площадь в сочетании с отличной чувствительностью камеры делает VISTA эффективным инструментом для создания больших, глубоких карт неба. Благодаря этому мы можем наблюдать тысячи отдаленных галактик одновременно, что важно для статистических исследований, а также получить представление об их распределении в космосе. VISTA проводит несколько исследований во внегалактическом широком поле (особенно хорошо он обнаруживает крайне далекие галактики), а также, разумеется, и в нашей Галактике.

Но зачем тащить телескопы и оборудование стоимостью в миллионы долларов в одни из самых отдаленных и негостеприимных мест на Земле, собирая в итоге лишь несколько фотонов, слегка освещающих нам космическую историю длиной в 14 млрд лет? Если подумать, количество энергии, которое мы на самом деле собираем из астрономических источников, фантастически мало: энергии, получаемой от галактики, которую я изучаю, в секунду на единицу площади примерно в 1000 раз меньше, чем кинетической энергии одиночной снежинки, упавшей на детектор размером с Великобританию. Галактики играют небольшую роль в нашей жизни. Мы знаем, что Земля круглая, что она – не центр нашей Солнечной системы и что есть и другие планеты. Так действительно ли нам нужно знать, что там, за Млечным Путем, куда мы никогда не отправимся в путешествие? Я бы, конечно, сказал, что да.

То, что мы узнаем о Вселенной, и в самом деле пока не дает такой прямой практической пользы, как, скажем, знание о том, что Земля – это сфера. Однажды люди или, что более вероятно, потомки нашего вида (а может быть, автономные машины для исследования, которые они построят) будут исследовать Галактику более масштабно, но этого, вероятно, не случится в ближайшие сотни или даже тысячи лет. И почти наверняка мы никогда не посетим какую-нибудь другую галактику (хотя и во Млечном Пути есть чем заняться любой цивилизации в течение многих эпох). Исследование ближайших областей Солнечной системы человеком и роботом, безусловно, будет жизненно важно для будущих поколений, будь то колонизация Луны и Марса или горные разработки астероидов для добычи полезных ископаемых. Но зачем тогда утруждаться изучением структуры и прочих вопросов Вселенной за пределами нашей Галактики?

Человечеством движут атавистическое очарование миром природы и желание в мельчайших деталях понять его механизм. Это, в свою очередь, требует понимания Вселенной в целом: ее содержания и эволюции. Когда я смотрю на звезды, мне мало просто восхищаться их деликатной красотой и таинственностью. Я хочу знать, что такое звезды: из чего они сделаны, как рождаются, как далеко находятся. Не знать ответов на эти вопросы, по крайней мере для меня, – то же самое, что наблюдать за грозой и не знать, что такое капля дождя. Астрономия дает ответы на некоторые из наших самых фундаментальных вопросов и рисует более ясную картину природы и нашего места в ней. И хотя вопросы обусловлены только нашим желанием понять, сам по себе научный процесс неоднократно доказывал, что он приводит к открытию новых практических решений проблем реального мира. Хороший пример – разработка беспроводной системы Wi-Fi, которая позволяет компьютерам и другим устройствам обмениваться данными по воздуху. Алгоритмы, обеспечивающие бесперебойную передачу и прием радиосигналов (хоть и с небольшими помехами), стали результатом развития методов обработки сигналов в радиоастрономии. Но я думаю, что на самом деле все сводится к одному: мы не прекратили заниматься астрономией по той же причине, по которой не перестаем заниматься искусством – это просто часть нас.

Что мы знаем

Астрономия – древняя наука. Наши первые шаги были небольшими и медленными, но сегодня мы подобны спринтерам. Внегалактическая астрономия все еще относительно молода как научная дисциплина, и мы познаем все больше нового с удивительной скоростью. Лишь за несколько последних поколений мы поняли, что наша Галактика живет сама по себе, а вне ее во Вселенной существует множество других галактик.

Но, с другой стороны, о гелиоцентричности Солнечной системы мы знаем уже почти полтысячелетия. Давайте начнем с небольшого исторического экскурса, который погрузит нас в процесс возникновения исследований эволюции Галактики.

В геоцентрических и ранних гелиоцентрических моделях, которые помещали Землю и Солнце в центр Вселенной, звезды не считались трехмерными объектами, распределенными в пространстве. Скорее, их представляли «зафиксированными» на небесной сфере, прямо за планетами. В конце XVIII века брат и сестра Гершели – Уильям и Каролина – искали доказательства регулярности распределения звезд, подсчитывая их количество на разных участках неба. Они обнаружили, что количество уменьшается по мере удаления от Солнца, и пришли к выводу, что Солнце является центром Вселенной. Однако в наблюдениях Гершеля не учитывалась эта противная, все затемняющая межзвездная пыль, которой, как мы теперь знаем, особенно много возле центра Галактики и которая маскирует истинное количество звезд. Это пример того, насколько современные для того времени измерительные приборы и методы наблюдения не подходили для ответов на возникшие вопросы.

Первое и довольно предсказуемое предположение о том, что мы живем в отдельной галактике, а Солнце и Земля – лишь ее второстепенные компоненты, было сделано английским астрономом Томасом Райтом из Дарема, который в 1750 году опубликовал свой трактат «Оригинальная теория, или Новая гипотеза Вселенной». В этой работе он утверждал, что полоса на небе под названием Млечный Путь видна по той причине, что мы живем в сплюснутом диске звезд. Он даже предположил (ну, или как минимум упомянул), что «облачные пятна», то есть некоторые туманности на небе, – это внешние системы, расположенные крайне далеко от диска. Несколько лет спустя эту идею развил философ Иммануил Кант. О концепции Райта известно главным образом именно благодаря использованию ее Кантом как идеи «островной Вселенной» – такой термин использовал философ при изложении гипотезы о том, что «спиральные туманности» – это другие, далекие галактики.

Даже в 1920-е годы еще бушевали споры об истинной природе спиральных туманностей и размерах Вселенной. «Большой спор» между Харлоу Шепли и Гебер Кертис в 1920 году – яркая иллюстрация того периода. Шепли приводил доводы в пользу того, что Млечный Путь – это и есть вся Вселенная, пространство которой пронизано звездами, газом и пылью. По его мнению, спиральные туманности были частью этой всеобъемлющей звездной системы. Кертис, в свою очередь, защищал модель островной Вселенной, где космос представлялся огромным пространством, а галактики – отдельными скоплениями звезд, разделенные гигантскими расстояниями. В сущности, именно невероятно большие расстояния между Млечным Путем и другими спиральными туманностями стали причиной скептического отношения к островной модели.

На этом широкоформатном снимке, заполненном звездами нашей Галактики, видна туманность Андромеды. Для человеческого глаза галактика Андромеда – всего лишь нечеткое пятно слабого света среди других звезд, и прежде, даже при наблюдениях с телескопом, считалось, что эта спиральная туманность и другие, ей подобные, являются частью Млечного Пути. В конце концов, Млечный Путь содержит туманные области, такие как туманность Ориона, и множество других экзотических объектов вроде шаровых скоплений; так почему же Андромеда должна быть чем-то другим? Однако когда по итогам наблюдений за цефеидами удалось определить расстояние до Андромеды и других близлежащих галактик, стало ясно, что все они – внешние системы, отделенные от нас безбрежным пространством. Это облачное пятно находится от нас примерно в миллион раз дальше, чем звезды, которые его «окружают» на небе

В конце концов, было доказано, что модель островной Вселенной верна. Теперь мы видим, что наша Галактика и в самом деле не находится в центре Вселенной: это всего лишь одно из миллиардов звездных скоплений, причем галактики разделены расстояниями, намного превышающими их размер. Но как мы поняли это эмпирически?

Основное доказательство было получено позже, в 1920-х годах, когда астрономы изучали особый тип звезды в спиральной туманности в созвездии Андромеды. Этот объект также известен как M31, поскольку он был записан под номером 31 в каталоге туманностей и звездных скоплений, составленном в XVIII веке астрономом Шарлем Мессье. В безлунную ясную ночь M31, или галактику Андромеда, можно увидеть в бинокль или даже невооруженным глазом как вытянутое пятно слабого света. Находящиеся в этой галактике пульсирующие переменные звезды – цефеиды – отличаются от большинства других звезд тем, что они пульсируют с изменением светимости, увеличиваясь примерно в два раза в течение регулярного цикла. Цефеиды названы в честь дельты Цефея – четвертой по яркости звезды в созвездии Цефея и одной из первых в своем роде, обнаруженной в XVIII веке.

Цефеиды пульсируют, потому что эти звезды расширяются и сжимаются. Непрозрачность газа в фотосфере звезды (внешних слоях газа) определяет, сколько света, генерируемого ядерным синтезом в ядре, может фактически уйти от звезды, а не отразиться от газа через газ в процессе поглощения и переиз-лучения. Непрозрачность фотосферы связана с давлением газа: во время цикла расширения и сжатия происходит систематическое изменение плотности газа, давления и, следовательно, общего количества испускаемых фотонов. То, что мы видим, – это регулярное изменение светимости цефеиды, когда она становится то ярче, то тусклее.

Типичная продолжительность цикла пульсации цефеиды чрезвычайно коротка в астрономических терминах. На самом деле эти изменения вполне можно соотносить с человеческой шкалой времени: они могут длиться от нескольких дней до нескольких недель. Если вам интересно, то поэкспериментировать можно даже с помощью небольшого телескопа, измеряя яркость цефеид от ночи к ночи и отслеживая их световые колебания. Пожалуй, в Северном полушарии проще всего наблюдать за одной из самых известных цефеид – Полярной звездой.

Не так давно было установлено, что цикл цефеиды дает очень полезную корреляцию: существует тесная связь между длиной цикла пульсации отдельной звезды (временем между пиками яркости) и ее средней светимостью. Цефеиды с более длинными периодами ярче своих «коллег» с более короткими. Это открытие сделала американский астроном Генриетта Суон Ливитт, которая опубликовала свои наблюдения за цефеидами Большого Магелланова Облака в 1912 году.

Почему соотношение «период – светимость» так полезно для нас? Если мы знаем внутреннюю яркость объекта (общее количество энергии, которое он излучает каждую секунду), то можем сравнить эти показатели с его видимой яркостью на небе (потоком, который мы измеряем с помощью телескопа) и таким образом определить, как далеко он находится. Так как наблюдаемая яркость источника падает согласно хорошо известному закону обратных квадратов, если у вас есть данные о внутренней светимости объекта, то есть об общем количестве выделяемой энергии, вы можете, основываясь на законе обратных квадратов, посчитать расстояние до них. Примерно в то же время, когда Генриетта Суон Ливитт сделала свое открытие, датский астроном Эйнар Герцшпрунг откалибровал отношение периодичности к свету, используя расстояния до цефеид в Млечном Пути, для которых он измерил параллакс, связав тем самым технику определения расстояния до цефеид с техникой измерения независимого расстояния. Точное измерение физических расстояний – одна из самых сложных проблем в астрономии, и поэтому мы называем небесные тела вроде цефеид стандартными свечами, потому что они представляют собой объекты, светимость которых хорошо откалибрована.

Эдвин Хаббл и Милтон Хьюмасон обнаружили, что цефеиды в M31 расположены на чрезвычайно большом расстоянии от нас и должны лежать далеко за пределами Млечного Пути. Открытие этих далеких цефеид стало значительным аргументом в спорах об островной Вселенной. M31, безусловно, находится за пределами Млечного Пути – и при этом на очень большом расстоянии от нашей Галактики. Если правильно настроить изображение, позволяющее уловить слабое излучение протяженного звездного диска галактики, то можно заметить, что с точки зрения размещения на небе M31 больше, чем полная Луна. На самом же деле она находится примерно в миллион раз дальше, чем ближайшая звезда. Если бы звездный диск Млечного Пути уместился на трассе кольцевой автомобильной дороги вокруг Лондона, Андромеда оказалась бы где-нибудь под Москвой. Так мы открываем для себя внегалактическую астрономию, точнее, исследования в этой сфере. Смотря на самые глубокие оптические изображения М31 и учитывая все, что мы знаем о внешних галактиках, сейчас кажется очевидным, что эта туманность – автономная и далекая звездная система. Однако это было совсем не так очевидно в прошлом, и нельзя недооценивать, насколько важен этот прорыв в нашем понимании Вселенной. Как и со всеми теориями и моделями Вселенной, прошлыми и современными, мы постоянно стремимся эмпирически проверить, подтвердить и опровергнуть наши гипотезы независимо от того, что говорит нам внутренний инстинкт.

Когда астрономы начали исследовать все больше ближайших галактик – те из них, что расположены достаточно близко к Млечному Пути и, соответственно, достаточно ярки, чтобы их можно было обнаружить с помощью телескопов начала XX века, – было открыто еще более удивительное явление. Оказалось, что свет от далеких галактик более красный, чем ожидалось. И я говорю не о смутной разнице в оттенках: весь свет, излучаемый далекой галактикой, систематически сдвигался к более длинным, то есть более красным, волнам. Отчетливее всего этот эффект проявляется в спектрах галактик, являющихся астрономическим эквивалентом отпечатков пальцев.

Сила спектроскопии

Спектр – это просто измерение количества энергии, излучаемой светящимся объектом, будь то пламя свечи или галактика, на разных длинах волн (или, что то же самое, частотах) света. Например, если мы возьмем свет от Солнца и разделим его через призму, то обнаружим радугу – характерный «континуум» света – с интенсивностью, которая достигает пика на длине волны около 500 нм, что соответствует желтоватому свету. Солнце испускает излучение, которое не входит в видимую для человека часть спектра, подобно ультрафиолету и инфракрасному излучению, но здесь оно слабее. Спектр тоже не совсем гладкий. Яркая непрерывная эмиссия отличается тысячами темных пятен на определенных длинах волн – это линии поглощения, вызванные особыми элементами на Солнце, которые поглощают фотоны очень специфической энергии (и, следовательно, очень специфических частот). Эти темные линии называются линиями Фраунгофера в честь немецкого оптика XIX века Йозефа фон Фраунгофера.

Этот УФ-снимок, сделанный спутником GALEX, дал нам более четкое представление о галактике Андромеда, также известной как М31. На изображении видна сложная структура галактики со спиральными рукавами, окружающими ее центр. M31 мало чем отличается от Млечного Пути. Телескопы, чувствительные к ультрафиолетовым фотонам, могут обнаружить излучение молодых массивных звезд, которые распространены в богатых газом дисках спиральных галактик, где формируются новые звезды, – именно поэтому на снимке видны спиральные рукава. Ультрафиолетовый свет не может пройти через атмосферу Земли, поэтому такие наблюдения должны вестись из космоса

Фраунгофер был, по сути, пионером в области астрономической спектроскопии – не удивительно, что линии солнечного поглощения названы в его честь. При определенных условиях некоторые элементы могут также излучать, а не поглощать фотоны определенной энергии. Они называются линиями эмиссии, или излучения, и выглядят как яркие пятна или всплески в спектре. Если насыпать немного соли в пламя, можно заметить, что оно внезапно станет ярко-желтым: так происходит потому, что при разрушении соли натрий в ней ионизируется, так как энергии пламени хватает для удаления электрона из ядра атома натрия. Когда электрон вернется к своему атому (или, что более вероятно, соединится с другим атомом, который также потерял электрон), энергия, которая ушла на его удаление, высвободится. Поскольку это очень специфическое изменение энергии (квантовая механика говорит нам, что различные возможные уровни энергии в атомах дискретны), оно соответствует и очень специфическому цвету. В случае натрия длина волны испускаемого света составляет ровно 589,3 нм. Именно она дает натриевым фонарям их характерный желтый цвет. Если взглянуть на спектр света уличного натриевого фонаря, можно заметить, что бо́льшая часть света излучается одним из пиков этих эмиссионных линий. Как видите, мы можем использовать спектр не только для изучения звезд или галактик, но линии эмиссии и поглощения открывают и их химический состав.

Из лабораторных испытаний, которые проводятся здесь, на Земле, и из атомной теории мы знаем точные длины волн линий эмиссии и поглощения, создаваемых всеми различными элементами. Их можно сопоставить с линиями излучения и поглощения, наблюдаемыми в звездах и газе ближайших и далеких галактик. Измеряя спектры последних, мы обнаруживаем, что все спектральные особенности систематически сдвигаются вдоль шкалы по длине волны, но относительное расстояние между отдельными линиями излучения и поглощения в спектре остается таким же, как если бы измерения проводились на Земле.

Например, общая линия эмиссии в галактиках называется H-альфа (водородом-альфа) – это одна из линий излучения, испускаемых ионизированным газом вблизи новых звезд, которые мы обсуждали в первой главе. H-альфа – основная спектральная линия в бальмеровской серии линий эмиссии водорода, которая включает H-альфа, – бета, – гамма и т. д. Напомним, что при попадании на атом водорода фотона с нужной энергией электрон может сбежать с орбиты ядра; в этом случае мы говорим, что атом ионизирован. Когда электрон рекомбинируется и восстанавливает свой первоначальный уровень энергии, высвобождается фотон. H-альфа-свет при измерении на Земле имеет длину волны около 650 нм, но мы можем измерить H-альфа в некоторой отдаленной галактике и обнаружить, что длина его волны приближается к двум микронам. Мы знаем, что это – H-альфа, а не какая-то другая линия, так как на это указывает ее положение относительно других линий эмиссии и спектральных характеристик, служащих своего рода идентификацией типа штрих-кода. Тогда в чем дело? Явно не в том, что фундаментальная физика, контролирующая испускание этих фотонов, варьируется от галактики к галактике.

Этот эффект называется красным смещением. Его можно рассматривать как свет, меняющийся аналогично высоте звука сирены на полицейской машине, проезжающей мимо вас (это называется эффектом Доплера). Если бы вы сидели в полицейской машине, то не услышали бы это изменение, потому что находились бы в той же «системе отсчета», что и сирена. Тот же подход применим и здесь. Если бы мы посетили эту далекую галактику, оказавшись в ее «системе отсчета», или, что эквивалентно, перестали бы двигаться относительно нее, то могли бы измерить линию H-альфа на длине волны «системы покоя» – она оказалась бы той же длины, что и волна, которую мы измеряли в лаборатории здесь, на Земле.

Но что если мы не находимся в «системе отчета» этой галактики? С нашей точки зрения – из нашей «системы отсчета», – если далекая галактика движется от нас, то, аналогично изменению тона полицейской сирены, мы измеряем свет, излучаемый этой галактикой, как систематически смещенный на более длинные волны. Общий вид спектра этой галактики не меняется, потому что весь газ, звезды и пыль в ней работают более или менее в тандеме. Все краснеет только для нас. Конечно, если бы источник излучения двигался по направлению к нам, то свет был бы смещен на более короткие длины волн, то есть был бы синим. Красное смещение измеряется через отношение наблюдаемой длины волны (или частоты) «системы покоя» света. Таким образом, красное смещение может быть связано со скоростью галактики относительно Земли вдоль линии нашего обзора.

Теперь мы подходим к моменту, который действительно ознаменовал начало эпохи внегалактической астрономии и того, что сейчас мы называем «наблюдательная космология». Эдвин Хаббл, работавший в знаменитой обсерватории Маунт-Вилсон, взял красные смещения нескольких галактик, которые ранее измерялись часто забываемым астрономом Весто Слайфером. Хаббл и Хьюмасон собрали расстояния от переменных наблюдений цефеиды этих галактик, для которых Слайфер измерил красные смещения, и при сравнении красных смещений и расстояний обнаружили корреляцию: в целом, более отдаленные галактики имели бо́льшие красные смещения. Фактически большинство внешних галактик имели положительные красные смещения, и только некоторые из них – голубые. В 1929 году Хаббл опубликовал работу с описанием этого открытия.

Следует отметить, что было и несколько других астрономов, участвовавших в ранних теоретических исследованиях. Например, в начале 1920-х годов Александр Фридман и Жорж Леметр, работая независимо друг от друга и используя общую теорию относительности Эйнштейна, получили первые наметки того, что позднее станет известно как закон Хаббла. (В науке существуют разные взгляды на то, кого именно считать первооткрывателем, поскольку другие ученые тоже работали над раскрытием картины расширяющейся Вселенной, но чаще всего называют именно Хаббла.)

Как и кем бы ни было сделано открытие, результаты этого экспериментального доказательства имели глубокие последствия. Было продемонстрировано не только то, что Вселенная заполнена галактиками, разделенными огромными расстояниями, но и то, что эта комбинация данных – расстояний цефеид и красного смещения – подразумевает доминирующее удаление галактик друг от друга, при этом находящиеся дальше галактики кажутся более быстрыми. Вывод был ясен: Вселенная расширяется. Это было – и при постоянном обновлении данных остается – одним из наиболее убедительных доказательств происхождения Вселенной в горячем Большом взрыве. Просто поверните стрелки часов назад: вещи, которые сейчас удаляются друг от друга, когда-то должны были быть ближе друг к другу. Запустите часы назад достаточно далеко в прошлое – и вы попадете в точку, где вся материя и энергия были сконденсированы в объеме, намного меньшем, чем сегодня. Какой-то механизм, который мы называем Большим взрывом (на самом деле этот термин был впервые использован для критики теории, которую он обозначает), вызвал взрывное расширение из одной точки – как мы предполагаем, отправной точки нашей физической Вселенной. Вопрос о том, было ли что-то до него, – предмет бесконечных домыслов и споров, отчасти потому, что его трудно проверить эмпирически.

Это изображение представляет собой очень детализированную радугу – спектр нашего Солнца, где солнечный свет рассеивается на составляющие его частоты, которые мы воспринимаем как цвета. Самые короткие длины волн (и самые высокие частоты) находятся внизу (синие), и с каждым рядом длины волн увеличиваются (а частоты уменьшаются). Вертикальные темные линии – линии Фраунгофера – указывают на поглощение света различными элементами, присутствующими в атмосфере Солнца. Спектр говорит нам, сколько энергии излучается на каждой длине волны – в случае Солнца бо́льшая часть энергии излучается в УФ-части электромагнитного спектра, а пик находится около зеленой/желтой метки. Поэтому спектры можно использовать для получения данных о физике и составе Солнца. Этот метод применим ко всем галактикам, где виден объединенный свет миллиардов солнц. Спектры галактик также могут показывать эмиссионные линии, например излучение ионизованного водорода в местах звездообразования (областях HII). Поскольку мощность этих линий пропорциональна количеству молодых массивных звезд, способных ионизировать водород, мы можем использовать спектры и для измерения скоростей звездообразования галактик, а также других физических свойств. Спектроскопия – один из самых мощных инструментов в астрономии

Перед вами довольно необычный вид галактик. Это изображение показывает спектры нескольких далеких галактик, за которыми мы наблюдаем при помощи многообъектного спектрографа VIMOS. Спектроскопия рассеивает свет в соответствии с частотой подобно радуге, что позволяет нам детально исследовать выбросы галактик и изучать информацию об их движении и химическом составе. Каждая вертикальная полоса – это спектр одной галактики, а яркие горизонтальные линии – характеристики излучения в нашей атмосфере. Более слабые вертикальные линии, видимые в некоторых полосах, – излучения самих галактик

Точная природа и механизм начального расширения в первые несколько мгновений существования Вселенной и ее продолжающегося расширения сегодня относятся к области того, что можно было бы назвать космологическими вопросами, на которых мы не собираемся слишком сильно фокусироваться. Нас интересуют непосредственно галактики, охваченные этим космическим потоком, и то, как они формировались и развивались во Вселенной, возникшей в жарких условиях Большого взрыва.

Вернемся к спектрам. Умение измерять спектры галактик – неотъемлемая часть нашего набора инструментов. Красное смещение можно использовать для отображения распределения галактик в своего рода трехмерном контексте, так как мы знаем, что галактики с большими красными смещениями находятся дальше. Но спектры имеют и другое применение: они содержат важную информацию о внутреннем содержании, химии и движущих силах далеких галактик.

Спектр Солнца (см. изображение на с. 86) сложен: его детальная форма в основном содержит информацию о химии звезды и о том, сколько энергии она излучает. Мы можем достаточно хорошо измерить спектр Солнца, потому что оно очень яркое. Но Солнце – это только одна звезда. Когда мы берем спектр всей галактики, то измеряем суперпозицию света от миллиардов звезд разного возраста, массы и металличности. Кроме того, мы также получаем все межзвездное вещество – газ и пыль между звездами. Если бы все звезды были той же массы и возраста, что и Солнце, а межзвездного вещества не было, спектр далекой галактики был бы почти той же формы, что и спектр Солнца. Но в галактиках есть целый ряд типов звезд, и не все они похожи на Солнце. Это приводит к различиям в форме спектрального континуума от галактики к галактике, которые мы можем использовать для классификации галактик разных типов.

Галактики, которые активно формируют множество новых звезд, производят большое количество излучения в УФ- и синей частях спектра, потому что это свет очень массивных, но недолговечных звезд. Другими словами, если мы видим галактику с большим УФ-излучением, то сразу понимаем, что она должна содержать много молодых, обычно очень массивных звезд, и поэтому здесь должны активно формироваться новые светила, так как массивные звезды живут не очень долго – всего лишь миллионы лет. Поэтому УФ-светимость можно откалибровать по скорости звездообразования. УФ-свет, производимый этими новыми звездами, оказывает другое влияние на спектр: он может ионизировать межзвездный водород в окрестностях мест рождения звезд, формируя области HII, о которых мы говорили в первой главе. Это создает сильные эмиссионные линии в спектре (в основном линии водорода и кислорода в видимой его части), а наличие этих эмиссионных линий – еще один инструмент классификации и калибровки. Кроме того, сила наблюдаемой эмиссионной линии может быть преобразована в скорость звездообразования, ведь у нас уже есть отличные данные о количестве ионизирующих фотонов, необходимых для возникновения звезды.

Спектр далекой галактики демонстрирует яркую линию излучения, представляющую ионизированный кислород. Яркость этой эмиссионной линии может быть преобразована в скорость звездообразования в этой галактике. Этот спектр был получен с помощью инструмента FORS телескопа VLT

Галактики, которые не образуют новых звезд и содержат очень зрелое, старое звездное население, не дают много линий УФ-света или газовой эмиссии. Бо́льшая часть энергии поступает в более красную и более длинную волну видимой и ближней инфракрасной части спектра. Эти галактики также имеют сильные линии поглощения, образованные металлами, которые накапливались в процессе звездной эволюции в течение всего существования галактики. Заметные линии поглощения в этих галактиках происходят от элементов кальция и магния (в видимой части спектра).

Таким образом, спектры могут быть использованы для изучения внутренних условий и среднего возраста других галактик, а также для их и для классификации по различным типам на основе видимых нам особенностей. Однако в этой работе необходимо быть предельно внимательным. Галактики с активным процессом звездообразования, например, могут не иметь большого количества УФ-излучения или показывать особенно сильные эмиссионные линии. Из этого можно было бы сделать вывод, что уровень звездообразования в них низкий. Загвоздка здесь в том, что некоторые галактики содержат огромное количество межзвездной пыли – частиц кремния и углерода, которые зачастую окружают области звездообразования. Как мы знаем, пыль поглощает УФ- и оптические фотоны и таким образом способствует покраснению спектра, подавляя синий свет, исходящий от новых звезд, и линии эмиссии, которые они производят при облучении молекулярных газовых облаков – так называемых звездных колыбелей. К сожалению, именно вокруг мест образования новых звезд пыль зачастую наиболее плотная – в этом случае мы говорим, что оптическая глубина самая высокая.

В некоторых случаях покраснение настолько сильное, что приводит к серьезному недооцениванию скорости звездообразования в галактике. Один из способов решить эту проблему – измерить количество инфракрасного света, излучаемого галактикой. При поглощении УФ-фотонов пыль нагревается, – обычно до температуры от нескольких десятков до 100 градусов выше абсолютного нуля (в зависимости от того, где находится пыль относительно звезд). Выглядит холодновато, но на самом деле любой объект, температура которого выше абсолютного нуля (–273 °C), выделяет тепловую энергию. Вы излучаете инфракрасное излучение на длине волны около 10 микрон. Более холодные объекты излучают инфракрасное излучение на более длинных волнах, и наоборот. В случае межзвездной пыли пик тепловыделения составляет около 100 микрон, но с широким разбросом. Чтобы обнаружить процесс звездообразования в регионах, скрытых пылью, можно прибегнуть к поиску контрольного инфракрасного излучения, вызванного в результате нагрева звездным светом затемняющей межзвездной пыли.

Карта Вселенной

Спектроскопия позволяет нам в некотором смысле классифицировать галактики; точно так же – благодаря красному смещению – она помогает нам поместить их в некоторый трехмерный контекст. Но как они на самом деле распределены в космосе? Давайте рассмотрим наш «местный» ландшафт более подробно. Представьте, что мы можем вырезать какую-то часть Вселенной, некий кубик, и детально изучить все его содержимое. Давайте нашим кубиком станет та часть, которая находится в центре Млечного Пути, а длина каждой стороны куба составит 20 Мпк. Это достаточно большой кусок, даже в космологических терминах, и он содержит хорошую выборку локальной части Вселенной. Что же мы найдем в нем? Для упрощения нашей визуализации давайте уменьшим это поле так, чтобы каждая его сторона равнялась метру – кубик станет достаточно маленьким, чтобы поместиться в комнате.

Теперь представьте, что этот кубик пространства находится перед вами как трехмерная модель. В этой уменьшенной модели размер самого Млечного Пути, находящегося прямо в центре кубика, составлял бы всего лишь 1 мм в поперечнике и был бы едва видимым для глаза. Крошечный Млечный Путь окружен своими «компаньонами» – несколькими карликовыми галактиками, Магеллановыми Облаками, а также другими галактиками-спутниками, и все они находятся в этом масштабе в пределах нескольких миллиметров. Расстояние до нашего ближайшего соседа подобного типа – галактики М31 – составляет около 4 см. В радиусе от 10 до 15 см от Млечного Пути находится от 50 до 60 других галактик. Все это называется Местной группой галактик и являет собой наш космологический «задний двор».

На расстоянии около 20 см в направлении созвездия Центавра (если мы представим, что сидим на Млечном Пути и смотрим на созвездие) находится еще одна группа галактик, окружающая большую эллиптическую галактику – Центавр А. Это мощная радиогалактика: при просмотре в радиочасти спектра можно обнаружить два больших «потока» радиоизлучения, идущих от центра галактики и значительно превышающих распределение звезд. Центавр A – еще одно напоминание о том, что нам нужны многоволновые изображения, чтобы получить полную картину. Формирование этих радиопотоков вызвано тем, что лежит в центре галактики – сверхмассивной черной дырой, о которой мы поговорим позже. Группировка галактик вокруг Центавра A называется подгруппой Центавра A. Часто мы видим, что галактики сгруппированы вокруг самых массивных галактик Вселенной, к которым, безусловно, можно отнести и Центавр A.

Еще одно изображение Центавра А, на этот раз включающее субмиллиметровый (оранжевый, отслеживающий холодный газ и пыль) и рентгеновский (синий, отслеживающий очень горячий газ) свет. Теперь мы видим две струи излучения, выходящие из галактики. Центавр A – мощная радиогалактика, одна из ближайших радиогалактик к Млечному Пути, содержит активное ядро, которое отвечает за это излучение. Этот снимок – прекрасный пример того, почему необходимо делать многоволновое изображение галактик: если мы хотим понять их природу, нам нужно охватывать все возможные характеристики излучения

Есть и другие группировки, например М 83, также названная по номеру записи в каталоге Мессье, и большая спиральная галактика в направлении созвездия Гидры, также известная как Южная Вертушка. Эта прекрасная спиральная галактика ориентирована таким образом, что мы можем видеть ее с лицевой стороны (наш Млечный Путь выглядел бы аналогично, если бы мы смотрели на его диск сверху). В нашем кубике М83 находится примерно в 23 см от Млечного Пути. Как и наша Местная группа, М83 также окружена небольшой группой галактик – так называемой подгруппой М83. Многие галактики, как правило, собираются в небольшие скопления, так что нередко мы находим огромные участки космического пространства, в которых отсутствуют или почти отсутствуют галактики и скопления. Такие области называют войдами, то есть пустотами. Также мы находим огромные группировки галактик – скопления или кластеры.

За краем кубика, в 80 см от центра нашей модели, находится огромное собрание из тысяч галактик, упакованных в сферу шириной около 20 см. Ядро этого скопления составляет несколько очень больших, не похожих на Млечный Путь галактик, таких как М31 или М83. Они представляют собой не плоские диски, а выпуклые, симметричные эллиптические галактики, не отличающиеся от Центавра A. Среди них – скопление Девы (оно называется так, потому что при наблюдении с Земли видно, что этот кластер находится в направлении созвездия Девы). Кластеры – это огромные скопления галактик, удерживаемых вместе гравитацией, и самые массивные объекты во Вселенной. По некоторым причинам, которые мы подробнее рассмотрим в следующей главе, свойства галактик в областях высокой плотности, таких как эти скопления, отличаются от свойств в среднем «поле».

Это неполное описание нашего локального объема, но мы и не ставили перед собой задачу дать ему детальную характеристику – оно позволяет лишь представить распределение галактик во Вселенной и его масштабы. Если вернуться к кубику, то можно заметить, что бо́льшая его часть – просто пустое пространство: диаметр нашей Галактики составляет лишь десятую часть процента от размера этого кубика. Другие галактики хоть и имеют различные физические размеры (самые большие – эллиптические), также занимают лишь небольшую часть общего объема пространства. Распределение галактик в пространстве не случайно: они, как правило, объединяются в группы и скопления, и если взглянуть на все галактики, можно обнаружить, что эти группы и кластеры связаны друг с другом «галактическими нитями». Формирование этих структур происходит под воздействием гравитации, а образование и эволюция галактик внутри них, то есть изменение свойств галактик в зависимости от их расположения в крупномасштабной структуре, являются областью активных исследований в принципе и бо́льшей части моих собственных в частности.

Мы довольно неплохо изучили содержимое нашего кубика, и в основном это результат непрекращающихся работ по определению местоположения и свойств галактик во Вселенной. Но наши возможности для наблюдения очень ограничены. С точки зрения космических масштабов мы, люди, эффективно заселяем двумерную мембрану – поверхность Земли (и окружающий ее тонкий слой космического пространства толщиной в несколько сотен километров, а также внеземные орбиты, где удачно расположено несколько спутников). Но в любом случае в основном это всего лишь попытки ознакомиться с содержимым всей Вселенной из одной точки внутри нее. Это делает работу намного сложнее, чем если бы мы могли произвольно смещать наш наблюдательный пункт. Увы, законы физики исключают такую роскошь.

Первая проблема, с которой мы сталкиваемся как космические картографы, заключается в том, что мы можем измерить положения галактик только в сферической системе координат, определяемой местонахождением галактик на небе (внутренней поверхности сферы) и красным смещением (или, если нам повезло, при помощи «правильного» измерения расстояния, такого как метод параллакса или цефеиды, но обычно они работают только локально), то есть речь идет об измерении радиального расстояния наружу. Картирование Местной группы галактик – процесс не слишком сложный, потому что большинство галактик довольно яркие и их легко измерить. Тем не менее все еще легко можно пропустить маленькие ближние галактики, обладающие очень низкой светимостью, поэтому Местная группа иногда пополняется новыми членами.

Скопление Кома (скопление Волосы Вероники) – самая массивная структура в близлежащей Вселенной, где тысячи галактик собираются на участках с высокой плотностью. Кластеры представляют собой части Вселенной, которые были самыми большими флуктуациями плотности в материальном поле вскоре после Большого взрыва. Под постоянным воздействием гравитации эти возмущения со временем нарастали и накапливали материю, превращаясь в гигантские структуры, подобные этой. Кластеры населены одними из наиболее старых и массивных галактик во Вселенной (эллиптических) и могут со временем захватывать новые галактики, которые трансформируются по мере их пересечения со скоплениями. На этом изображении видна довольно голубая (по сравнению с «красными и мертвыми» эллиптическими и линзовидными галактиками) спиральная галактика, где образуются звезды. Понимание эволюции галактик в кластерах – важная область современных исследований космоса

На снимке – карта Местной группы галактик, выявленных на сегодняшний день в спектроскопических исследованиях красных смещений, ключевым из которых является Слоановский цифровой обзор неба (англ. Sloan Digital Sky Survey, SDSS). Карта центрирована с учетом центра Земли и радиального увеличения космического расстояния. Эти две окружности соотносятся со временем прохождения света в 1 млрд и 2 млрд лет: когда мы смотрим на далекие галактики, то видим их такими, какими они были в прошлом, что позволяет нам изучать свойства галактик в исторической перспективе. Две клиновидные области с небольшим количеством галактик – это Зона избегания, то есть область на небе, закрываемая галактикой Млечный Путь, где плотность ее диска слишком высока и не пропускает свет из внегалактических источников. Обратите внимание на то, как галактики образуют пенистую нитевидную структуру – «космическую сеть» материи

По мере исследования все более глубокой Вселенной видимые размеры объектов становятся все меньше и меньше, что затрудняет их наблюдение. Съемка, которая ограничена «глубиной» (то есть коротким временем экспозиции или низкой чувствительностью), начинает пропускать галактики, слишком слабые для обнаружения камерой или каким-либо другим инструментом, который мы используем. Мы называем это «неполнотой» обзора и вынуждены признавать и пытаться решить эту проблему, если хотим избежать ошибочных выводов в наших анализах. Например, представьте, что вы стоите на нашем холме из первой главы и смотрите на далекий горизонт, наблюдая за бликами других городов. Найти отдаленные города довольно легко, но вы не сможете увидеть те из них, в которых нет огромных небоскребов. Можно в итоге прийти к выводу, что других деревень и городов нет – есть лишь крупные мегаполисы. Но этот вывод, вероятнее всего, будет неправильным: если вы не можете обнаружить отдаленные деревни и города, это не значит, что их там нет. Вместо этого было бы разумнее предположить, что раз на окраине вашего города есть несколько деревень, то и другие отдаленные города, схожие с вашим по размеру, скорее всего окружает примерно столько же селений. Подобные игры мы ведем и с наблюдениями за далекой Вселенной: мы должны делать предположения о вещах, которые еще не видим, и выстраивать прогнозы, чтобы при появлении более совершенных инструментов смогли подтвердить или опровергнуть наши гипотезы.

Другая проблема, как мы уже обсуждали в первой главе, заключается в том, что мы никогда не получаем полного представления о внегалактическом пространстве «всего неба»: диск Млечного Пути настолько толстый, что почти никакой свет от далеких галактик не может сквозь него пройти. Карты распределения галактик обычно имеют клиновидную форму – это показывает, что мы можем ясно видеть только отдаленные источники в полосах выше и ниже плоскости нашей Галактики, где низкая плотность звезд, пыли и газа. Хотя это и неудобный, но все же ни в коем случае не катастрофический факт. С одной стороны, фактическое встраивание в диск Галактики позволяет нам детально изучить его в пространственных масштабах, что – по очевидным причинам – невозможно в отношении внешних галактик. Внутренняя работа Млечного Пути составляет существенную часть наблюдений галактических астрономов, при этом большинство активных исследований сосредоточены на переполненной событиями галактической плоскости.

С другой стороны, существует космологический принцип, называемый принципом изотропии, который утверждает, что в больших масштабах Вселенная во многом выглядит одинаково во всех направлениях. То есть, наблюдая достаточно приличный кусок Вселенной над и под диском, мы можем быть совершенно уверены, что если бы мы могли видеть сквозь галактику, то другие Галактики в этом направлении (статистически) были бы примерно такими же. Если коротко, то мы ничего не теряем. Другими словами, если бы мы взяли наш кубик объемом в кубический метр и поместили его в какую-нибудь совершенно случайную часть Вселенной, то обнаружили бы, что, хотя точная схема расположения галактик может отличаться, на этом участке будет столько же галактик, групп и скоплений, а их статистические свойства окажутся одинаковыми.

Прогресс, которого мы достигли в картировании Вселенной для более крупных масштабов, в начале шел довольно медленно. В доисторические времена люди впервые заметили звезды, начав таким образом наше астрономическое путешествие, но ограничив человеческое знание Вселенной пределами нашей Галактики. За очень долгое время не было достигнуто большого прогресса, потому что технологии не совершенствовались: человеческий глаз может увидеть не так уж много. Но за последние 400 лет с момента изобретения телескопа голландскими оптиками мы смогли исследовать намного больше. Нет сомнений в том, что это расширение полностью обусловлено технологическими достижениями и инновациями в создании телескопов и датчиков. Этот прогресс продолжается и идет сегодня значительно быстрее, чем когда-либо прежде: разрабатываются планы по созданию «чрезвычайно» больших телескопов с основными зеркалами, размер которых в три или даже четыре раза превысит масштабы зеркал самых больших телескопов, работающих с видимым светом сегодня. Мы даже можем размещать телескопы в космосе и управлять ими дистанционно с Земли; только представьте, что бы об этом подумали первые пионеры телескопов! Точно так же постоянно идет выпуск новых инструментов – все более чувствительных, эффективных, умных и технологически продвинутых. Это делает нашу область научных исследований востребованной и захватывающей, поскольку всегда есть возможность открыть нечто совершенно новое, только и ждущее, чтобы его обнаружили.

Если мы возьмем изображение части неба, обнаружим там галактику и изучим ее спектр, то сможем измерить и ее красное смещение или хотя бы сделать правильное предположение, найдя таким образом для этой галактики место в трехмерной модели Вселенной. Положение на небе дает нам две координаты, а красное смещение – третью. Этот подход сложнее использовать в отношении очень далеких и очень слабо светящихся галактик, потому что измерение точного красного смещения и обнаружение галактики в первую очередь требуют от нас сборки необходимого количества света: тогда астрономический сигнал будет достаточно большим, чтобы перекрыть случайный шум, возникающий от работы электроники, окружающего теплового фона и т. д. Случайный шум, не связанный с сигналом, который мы пытаемся обнаружить, присутствует во всех электронных детекторах. Нам также связывает руки ограниченное разрешение. Если вы находитесь в поле, полном коров, те из них, что ближе к вам, будут выглядеть крупнее тех, что поодаль. Если вы сфотографируете их, то дальние коровы займут на изображении меньше пикселей, чем коровы на переднем плане. Мы можем видеть больше деталей у ближайших к нам коров, а те, что находятся на горизонте, будут опознаваться как силуэты, не более. То же самое справедливо и для галактик: соседние галактики легко обнаружить, поскольку они кажутся большими на небе и мы можем различить внутренние детали, такие как спиральные рукава, перемычки, балджи и даже отдельные звездные скопления и области звездообразования; более отдаленные галактики кажутся меньше, и, поскольку разрешение наших инструментов имеет ограничение (то есть наименьший угловой масштаб, который можно различить и который определяется размером телескопа), в большинстве случаев мы не можем разобрать никаких деталей: галактика на нашем изображении становится просто рисунком из нескольких ярких пикселей. А если мы начинаем увеличивать изображение до предела, то рискуем принять комбинацию из ярких пикселей, которая может быть далекой галактикой, за всплеск случайного шума. Обычно нам требуется последующее наблюдение для подтверждения или опровержения реальности таких систем. Если шум случайный, то маловероятно, что мы получим еще один его всплеск в точно такой же позиции на изображении, поэтому повторное обнаружение некоторой слабой предполагаемой галактики на независимом изображении – более убедительное доказательство, чем единичная экспозиция.

Это изображение построено с учетом расположения всех галактик, обнаруженных в SDSS. Оно и показывает общую прогнозируемую плотность галактик в большой области неба, которая называется Северной галактической шапкой. Вы можете видеть, что галактики распределены не случайным образом: есть участки высокой плотности (скопления) и четкие нитевидные структуры, образующие сеть, пронизывающую всю область распределения галактик. Это крупномасштабная структура Вселенной, где галактики возникают и меняются внутри невидимого скелета из темной материи, которая со временем эволюционировала под воздействием гравитации

Как правило, мы доверяем только астрономическому обнаружению, будь то простое изображение галактики или какая-то особенность в ее спектре, когда сигнал, который мы видим, как минимум в пять раз больше типичного размера случайных изменений из-за шума в измерении (например, электронного шума в ПЗС-изображении). «Сбивание» уровня шума, создавая все более чувствительные камеры и детекторы, сборка как можно большего количества света, чтобы мы могли уловить крошечный поток фотонов от удаленного объекта, и покрытие все бо́льших областей неба, эффективно исследуя таким образом как можно бо́льшую его часть, – вот три магических компонента нашей задачи по картографированию Вселенной. Все они основаны на технологиях: мы хотим, чтобы самые чувствительные детекторы были подключены к большим камерам и установлены на большие телескопы.

Значительная часть усилий в исследовании галактик за последние полвека была сосредоточена на съемках неба, но сейчас они важнее, чем когда-либо. Сегодня часто говорят, что мы переживаем золотой век исследования галактик, так как выполнять чрезвычайно большие чувствительные съемки неба с помощью различных инструментов стало гораздо легче. Наблюдения полезны не только для определения местоположения галактик во Вселенной, которое, как мы видели, далеко не случайно, но и для накопления больших подборок галактик с различными свойствами, живущих, что наиболее важно, в различные эпохи истории Вселенной – последнее благодаря тому, что свету нужно так много времени, чтобы пересечь космические расстояния. Если всмотреться в глубину Вселенной, то есть в слабое сияние, можно увидеть свет, излученный первыми галактиками вскоре после Большого взрыва. Именно таким образом мы можем исследовать, как основные свойства галактик, такие как звездная масса, форма, химический состав и пр., эволюционируют с течением времени.

Возможно, самым успешным исследованием галактики на сегодняшний день является SDSS – проект, который был запущен в 2000 году. С относительно небольшим 2,5-метровым телескопом, расположенным в обсерватории Апачи-Пойнт в штате Нью-Мексико, SDSS провел прошлое десятилетие в наблюдении за четвертью всего неба и создал, пожалуй, лучшую карту локальной Вселенной, которая у нас есть. SDSS располагает большой 120-мегапиксельной ПЗС-камерой, которая позволяет сделать снимок 1,5 квадратных градусов неба, что довольно много: если помните, размер полной Луны на небе составляет 0,5 градуса в поперечнике. Такое широкое поле зрения позволяет телескопу быстро наращивать зону съемки; на самом деле его техника визуализации несколько отличается от большинства телескопов. Вместо того чтобы нацеливаться на определенную позицию и снимать экспозицию, SDSS использует «дрейфовое сканирование», которое учитывает фактор «дрейфования» звезд при вращении Земли. Если вы поместите телескоп на землю, направив его вверх, то в течение ночи вы сможете отснять полосу неба, которую создаст вращение Земли. Таким образом, SDSS изображает небо в виде серии полос. Одно из преимуществ дрейфового сканирования для работы с большими съемками – точность при астрометрической калибровке (то есть то, насколько хорошо мы можем преобразовывать положения пикселей на результирующем изображении в фактические положения источников на небе). SDSS проводит относительно «мелкую» съемку: для изображения такой большой области неба невозможно получить длинные выдержки, позволяющие исследовать очень слабые потоки галактики, как это происходит, скажем, у «Сверхглубокого поля “Хаббла”», который стал специальным проектом по наблюдению за небольшим регионом космоса с большой выдержкой и показал чрезвычайно далекие галактики. По сравнению с этим проектом, большинство галактик, обнаруженных SDSS, сравнительно локальны. С другой стороны, истинный масштаб наблюдений в этом проекте означает, что космический объем, измеряемый SDSS, огромен, и это действительно полезное знание.

Разноцветный вид

SDSS создает изображения посредством пяти различных цветных фильтров, которые охватывают весь спектр видимого света, – от синего до красного: u, g, r, i и z. Это пример широкополосных фильтров, предназначенных для пропускания света только в определенном диапазоне длин волн. Иметь такие разные фильтры очень важно: как мы видели ранее, галактики могут обладать спектрами различной формы. Эти спектры, напомню, соответствуют количеству энергии, излучаемой на разных длинах волн. Например, некоторые галактики излучают больше синего света, и это становится очевидно на изображении, полученном с помощью фильтров полосы u или g, так как они «отбирают» синюю часть спектра галактики: в них она будет выглядеть ярче, чем, скажем, в фильтрах группы z.

Если кратко, разные галактики могут выглядеть по-разному при изучении через фильтры разных длин волн. Галактика, которая выглядит ярче в полосе r по сравнению с полосой g, называется «красной». И наоборот, галактика, которая ярче в полосе g и слабее в r, называется «синей». Это использование галактических цветов представляет собой очень простую систему классификации. Как правило, в «синих» галактиках происходит активное звездообразование, потому что в синем свете преобладает излучение недавно образованных массивных звезд, ярких на УФ- и синей длинах волн. Как только звездообразование прекращается, голубые звезды отмирают, а старые, зрелые звезды доминируют в спектре, приводя к «покраснению» галактики. Красные галактики часто называют пассивными, или «красными и мертвыми», но нужно помнить, что и здесь есть подвох: пыльные галактики, в которых идет активный процесс звездообразования, также могут казаться «красными» и пассивными. Кроме того, более отдаленные галактики тоже кажутся более «красными», поскольку их свет смещается в красную сторону на более длинные волны; поэтому мы должны вносить поправки при сравнении широкополосных цветов галактик с различными красными смещениями, даже если они имеют одинаковый тип (скажем, если мы рассматриваем две спиральные галактики).

Сравнение количества света, поступающего от каждой из полос – u, g, r, i и z, – также может быть использовано для оценки красного смещения галактики, ведь то, что мы эффективно делаем, есть измерение грубого спектра – не настолько детального, как того можно было бы добиться с помощью спектроскопии, но вполне достаточного для получения общей формы. В случае с этими пятью полосами в SDSS мы имеем на выходе измерение среднего количества энергии, излучаемой галактикой на длинах волн, определяемых каждым из этих проходов полосы фильтра. У нас есть общая форма «континуума» спектра, но нет мелких деталей, например эмиссионных линий. Сравнивая относительные потоки в каждой из этих полос с ожидаемой для шаблона, или модели, спектра, мы можем оценить такие параметры, как тип звездного населения (старое оно в среднем или молодое), общая масса звезд и, что важно, красное смещение галактики. Эти «фотометрические» красные смещения значительно уступают в точности тем, что измеряются с помощью спектроскопии, но они все же чрезвычайно ценны, поскольку на них требуется меньше времени наблюдения, чем на исследования с получением спектра. Почему так? При измерении спектра галактики мы в некотором смысле разбавляем или размазываем количество энергии, попадающее на данный пиксель в нашем детекторе, потому что мы рассеиваем свет, разделяя его на его частотные компоненты, чтобы создать условия для его подробного исследования. Это связано со значительными затратами на увеличение времени экспозиции по сравнению с простым двумерным изображением той же самой галактики с использованием набора широкополосных фильтров, которые пропускают много фотонов, очень быстро выстраивая сигнал в детекторе.

Несмотря на длительность спектроскопии по сравнению с визуализацией, она незаменима при большом исследовании, таком как SDSS, так что были разработаны методы, позволяющие сделать сбор спектров очень эффективным. В дополнение к компоненту формирования изображений, который на данный момент каталогизировал более полумиллиарда объектов, для SDSS был изготовлен также спектроскопический механизм, использующий мультиобъектный спектрограф. Он получает спектры, помещая оптическое волокно на пути света, идущего из галактики, и может измерять спектры сразу множества галактик. На практике SDSS сначала отображает участок неба, чтобы определить цели для измерения спектров, так как нужно заранее знать, куда поместить волокно. После того, как цели выбраны, в фокальной плоскости можно разместить алюминиевый лист или пластину с просверленными отверстиями в местах расположения желаемых целей. Концы волокон расположены в отверстиях, где они перехватывают фотоны от каждой цели, перенаправляя свет вниз к элементу рассеивания, который разделяет его на спектр. Этот прибор может одновременно измерять спектры для более чем 600 целей и уже измерил спектры и красные смещения миллионов астрономических источников. Между прочим, данные, полученные с помощью SDSS, общедоступны: любой может скачать изображения и каталоги, полученные в результате обзора, и исследовать Вселенную. При этом выпуски данных проводятся в регулярном режиме – по мере проведения наблюдений.

Больше всего времени SDSS потратил на тип галактики, который был назван квазаром, или квазизвездным объектом. Квазары – это действительно очень активный вид галактик и одна из самых ярких систем во Вселенной.

На этом изображении квазар MC2 1635+119 был снят «Хабблом» в одной полосе света. Центр этой галактики сияет, как звезда: бо́льшая часть света исходит из самой центральной ядерной области, где сверхмассивная черная дыра, присутствующая во всех массивных галактиках, активно аккрецирует (поглощает) вещество, выбрасывая при этом огромное количество энергии. Эта активность могла быть вызвана слиянием двух галактик, что привело к вытеснению газа в центральную область слившейся галактики, сжатую до высокой концентрации. Здесь газ становится готовой добычей для растущей черной дыры. Слабое нечеткое излучение вокруг центрального источника показывает нарушенную природу звезд в «галактике-хозяине», которая дополняет общую картину. Квазары настолько ярки, что их можно увидеть на больших космических расстояниях, и поэтому они могут быть использованы как отличные зонды ранней Вселенной. Они также играют важную роль в эволюции массивной галактики, так как интенсивная ядерная активность может влиять на историю звездообразования и, следовательно, на будущую судьбу таких галактик, как эта

В центре этого изображения – галактика с активным ядром Маркарян 509, которая видна как яркая световая точка. Ядерная активность обусловлена сверхмассивной черной дырой, масса которой несколько сотен миллионов раз превышает массу Солнца, и она активно аккрецирует вещество. Когда материя падает на черную дыру, возникает горячий аккреционный диск, который ярко светится рентгеновским, УФ-и оптическим излучениями, иногда затмевая остальную часть галактики. Каждая массивная галактика таит в себе сверхмассивную черную дыру; установлено, что масса этого «сердца» соотносится с массой звезд в окружающем звездном балдже. Считается, что черная дыра и рост балджа связаны регулирующими механизмами обратной связи, и изучение этой части астрофизики – ключевая область исследований

Из-за своей высокой яркости квазары, сияя словно маяки, видны на огромных космических расстояниях. Хотя каталог галактик SDSS ограничен довольно локальным объемом исследований, квазары, занесенные в него, расположены чрезвычайно глубоко во Вселенной.

Самое сердце нашего Млечного Пути, снимок которого получен с помощью специальной техники, называемой «адаптивная оптика», которая помогает корректировать эффект размытия атмосферой Земли, ограничивающий обычно пространственное разрешение изображений, снимаемых с поверхности планеты (одна из причин, почему «Хаббл» может создавать такие исключительные изображения, заключается в том, что ему не приходится преодолевать помехи, создаваемые атмосферой Земли). Четкое изображение позволило астрономам точно определить и в течение 16-летнего периода отслеживать положение звезд, фактически вращающихся вокруг компактного, но «притягательного» невидимого объекта – сверхмассивной черной дыры, которая скрывается в сердце галактики. В квазарах и активных ядрах галактик центральная черная дыра активно аккрецирует материю, в результате чего вся область ярко светится, но в случае Млечного Пути, как и в большинстве галактик, центральная черная дыра является относительно пассивной. Однако она все же оказывает гравитационное воздействие на звезды вокруг, и, измеряя орбиты нескольких звезд на этом изображении, астрономы могут определить массу черной дыры, которая в миллионы раз тяжелее Солнца. Центр нашей Галактики находится на расстоянии около 8000 пк; даже если бы мы сократили расстояние между Землей и Солнцем до 1  м расстояние от Земли до центра Галактики составило бы 1600 км

По сути, квазары – это просто галактики, но их отличие от типичной галактики, такой как Млечный Путь, заключается в количестве энергии, излучаемой их ядром или ядерной областью. Свет, излучаемый ядром квазара, настолько велик, что затмевает остальную часть галактики. И этот свет настолько сконцентрирован и интенсивен, что квазары выглядят как отдельные точки неразделенного света (мы часто не можем различить пространственно расширенные объекты в галактике), или как звезды; отсюда и их название – «квазизвездные объекты». Что запускает эту силу? Квазары содержат в своих центрах растущую сверхмассивную черную дыру, называющуюся так потому, что она намного массивнее черных дыр, которые могут образоваться в конце жизни некоторых массивных звезд. Сверхмассивные черные дыры могут быть в миллионы раз массивнее нашего Солнца. Хотя они, вероятно, начинали свою историю с гораздо меньших размеров (возможно, сливаясь с центральными черными дырами в других галактиках), со временем эти черные дыры увеличиваются внутри галактики, поглощая материю, в основном межзвездный газ и пыль. Именно это наращивание материала и является источником энергии квазаров. Поскольку черная дыра накапливает газ и пыль, вокруг нее возникает плотный и очень компактный аккреционный диск. Из-за огромных гравитационных и динамических сил этот диск становится настолько горячим, что ярко светится рентгеновским, ультрафиолетовым и видимым светом.

Другое название этого региона в квазаре – активное галактическое ядро (англ. Active Galactic Nucleus, AGN). Иногда астрономы называют галактики AGN, даже если они не классифицируются как полноценные квазары, потому что ядерная эмиссия доминирует над галактикой в целом. На самом деле, большинство галактик содержит сверхмассивную черную дыру в своем сердце, в том числе и наш Млечный Путь. Наблюдения, которые в течение нескольких лет проводились с помощью телескопа телескопа VLT, в основном отслеживали орбиты звезд вокруг центральной черной дыры Млечного Пути (на небе ее можно расположить в направлении созвездия Стрельца). Хотя сама дыра и ее окрестности не видны, формы орбит этих звезд предполагают наличие массивного темного объекта.

Черная дыра нашего Млечного Пути на самом деле не активна: она не поглощает материю с высокой скоростью и не высвобождает огромное количество энергии. Иногда что-то может попасть в нее: в то время, когда я писал эти строки, как раз велись наблюдения за газовым облаком, которое было на пути к поглощению черной дырой, в момент которого должен произойти краткий выброс энергии по мере погружения газа в дыру. Телескопы подготовлены к этой уникальной возможности наблюдения за аккрецией (падением) газа на сверхмассивную черную дыру в ближнем космосе. В AGN и квазарах такая аккреция происходит постоянно, и понимание физики этого процесса и того, как он вписывается в глобальную схему эволюции галактики, – ключевая область современных исследований. Хотя квазары ярко видны вполосах видимого света, астрономы также ищут активно растущие черные дыры в галактиках с помощью рентгеновских телескопов. Рентгеновские наблюдения проводятся только из космоса, поскольку эти высокоэнергетические фотоны не могут пройти через нашу атмосферу. Двумя важными рентгеновскими обсерваториями последних лет были космические обсерватории XMM-Newton (от англ. X-ray Multi-Mirror Mission – «Рентгеновская многозеркальная миссия», названная в честь Ньютона) и «Чандра» – в честь индийско-американского астрофизика Субраманьяна Чандрасекара, который внес важный вклад в развитие астрономии XX века. Эти телескопы делают снимки Вселенной в высоком энергетическом разрешении и дают нам ключ к пониманию самых экстремальных астрофизических явлений в галактиках.

Интенсивно-активные ядра квазаров и AGN – обильные источники рентгеновского излучения, где уровень рентгеновской светимости напрямую связан с аккрецией центральной черной дыры. Таким образом, исследования, проводимые с помощью таких телескопов, как XMM-Newton и «Чандра», позволяют найти и классифицировать эти системы (хотя часто в данной системе обнаруживается лишь несколько рентгеновских фотонов). Однако, как и в случае с оптическим светом, AGN часто окутан густой пылью, которая может скрыть рентгеновское излучение. К счастью, аналогично идентификации закрытых пылью звездообразующих галактик в инфракрасном диапазоне, мы можем распознавать изобилующие пылью AGN, где экран пыли нагревается энергией, испускаемой горячим аккреционным диском, излучая благодаря этому различимое инфракрасное свечение. На данный момент SDSS получил спектры для сотен тысяч квазаров, ставшие одними из основных индикаторов распределения галактик в самых дальних уголках Вселенной.

Проблема расстояния

В составлении карты Вселенной с помощью красных смещений есть один подвох, поскольку наблюдаемые красные смещения – не совсем то же самое, что истинные расстояния. Закон Хаббла говорит, что существует корреляция между красным смещением и расстоянием: объекты с более высокими красными смещениями находятся дальше. Это означает, что если у нас нет прямой привязки к фактическому расстоянию, красное смещение обеспечивает легко измеримую замену. Но галактики не просто движутся с обширным «потоком Хаббла» Вселенной – они также находятся в движении из-за неослабевающего гравитационного притяжения других галактик и вещества во Вселенной. Таким образом, в дополнение к их относительному движению от нас из-за космологического расширения на их движение влияет дополнительный фактор, вызванный локальными гравитационными эффектами. Это явление называется пекулярной скоростью.

Величина пекулярной скорости галактики зависит от распределения вещества вокруг нее. Например, галактики в больших скоплениях имеют очень большие пекулярные скорости – около 1000 км/с, – потому что находятся внутри или вблизи очень большой массовой концентрации, которая формирует гравитационный «потенциал», способный разогнать их до более высокой по сравнению с другими галактиками в скоплении скорости. Галактика на краю скопления похожа на шар для боулинга на вершине крутого холма: отпустите ее – и она разгонится до самой низкой точки потенциальной «ямы». Если у этого шара будет достаточно энергии, он начнет взбираться на следующий холм и т. д. Это – неплохая аналогия для галактики на радиальной орбите вокруг ядра скопления. Галактики в скоплениях делают это все время, двигаясь, словно пчелиный рой, потому что они вращаются вокруг общего центра масс. В совокупности распределение относительных скоростей галактик в скоплении может быть использовано для оценки общей массы (в том числе темной) скопления, поскольку диапазон скоростей связан с массой, заключенной в системе. На практике же вместо измерения скоростей всех скоплений галактик относительно Млечного Пути мы сравниваем их скорости со средним красным смещением всех галактик в скоплении. Когда мы строим распределение дельта-V для всех галактик в скоплении, мы получаем классическую колоколообразную, или гауссову, кривую. Характерная ширина этого распределения называется дисперсией скорости. Если мы знаем размер кластера, который имеет порядок от одного до нескольких мегапарсек в диаметре, то можем оценить общую массу кластера.

Космическая рентгеновская обсерватория «Чандра» была запущена на орбиту при помощи космического шаттла «Колумбия». «Чандра» – одна из ключевых спутниковых обсерваторий последних лет, открывшая окно с видом на самые бурные процессы во Вселенной, в частности на рентгеновское излучение, связанное с растущими черными дырами в далеких галактиках

Большие пекулярные скорости галактик в скоплениях – хорошая демонстрация того, что при попытке помещения галактик в трехмерную модель Вселенной мы приходим к не совсем точному представлению. Вернемся к нашему кубику с Млечным Путем посередине. Ведя наблюдения изнутри Млечного Пути, мы можем очень легко измерить положение галактик на небе, просто сделав снимок. Проблема возникает, когда появляется потребность в третьем измерении, потому что мы можем измерять только красное смещение в радиальном направлении. Таким образом, в скоплениях, подобных скоплению Девы, на красные смещения каждой отдельной галактики значительно влияет дополнительный компонент скорости вместе с общей скоростью спада, вызванной расширением Вселенной, из-за ускорения гравитационного потенциала скопления. Это означает, что мы не знаем точно, где в скоплении находятся эти галактики: мы смотрим на галактики в «пространстве скоростей», а не в истинном пространстве. Это станет очевидно, если нанести их положение вдоль линии видимости, определяемой их индивидуальными красными смещениями: мы получим образ, напоминающий вытянутый тонкий сгусток – результат их больших относительных скоростей по сравнению с другими галактиками на том же расстоянии от нас, но расположенными вдали от скопления и потому не так сильно подверженными его гравитационному воздействию. На самом деле, в реальном трехмерном пространстве галактики в скоплениях обычно распределены по симметричному сферическому гало, что легко понять по двумерному расположению галактик на небе, но пространственная информация теряется в третьем, радиальном измерении. Этот эффект стал известен как «пальцы Бога» – он довольно неприятен, но все же и не катастрофичен. Астрономы придумали хитрые способы компенсации этих космических искажений красного смещения при проведении космологических измерений на основе его исследований.

Измерение истинного расстояния до объектов – самая сложная проблема в астрономии. Чем дальше вы пытаетесь посмотреть, тем становится труднее: методы, которые работают для близлежащих объектов, несовместимы с удаленными. Измерение параллакса применимо только для сравнительно небольшого космического пузыря в нашей Галактике, растянувшегося лишь в нескольких десятках парсек от Земли. Использование цефеид в качестве индикаторов расстояния удобно только в том случае, если вы можете точно определить отдельные звезды, но опять же, когда мы смотрим на более отдаленные галактики, работать с ними сложнее, так как весь звездный свет от них смешивается и мы не можем «разделить» его на конкретные звезды. Этот фактор ограничивает наблюдения при помощи цефеид галактиками в нашей Местной группе, то есть большинством объектов в пределах нашего метрового кубика. Хотя есть одно особенное явление, которым мы можем воспользоваться для расширения границ наблюдения, – это использование отдельных звезд, когда они взрываются как сверхновые, в качестве «стандартных свечей» даже в очень далекой Вселенной.

Сверхновые – это явление, в ходе которого происходит бурная гибель определенных массивных звезд (не все звезды могут стать сверхновыми; для этого их масса должна быть выше определенного порога). Есть два основных типа сверхновых, но интересующий нас здесь вид называется типом Ia. Сверхновые типа Ia появляются, когда одна из звезд в двойной системе (где две звезды вращаются по орбитам вокруг общего центра масс) приходит к концу своей эволюции и коллапсирует до состояния компактного объекта, называемого белым карликом. Этот коллапс происходит, когда термоядерные реакции в ядре больше не могут защищать от воздействия гравитации, которая всегда стремится отправить звезду в небытие. Все, что удерживает белого карлика от полного коллапса, – это своего рода давление, которое возникает из-за квантовых эффектов между электронами в сверхплотной материи – остатках звезд. Так происходит в результате действия принципа исключения Паули, который гласит, что два фермиона (а электрон является фермионом) не могут иметь одно и то же квантовое состояние. Тем не менее новый материал может накапливаться на белом карлике от соседней звезды-компаньона, увеличивая давление в ядре остатка звезды до критического предела. После того как на белого карлика аккрецировалось достаточно новой массы, давление и температура увеличиваются до тех пор, пока не достигают порогового значения, когда ядра углерода и кислорода в белом карлике внезапно срастаются. Это вызывает взрывную реакцию, разрушающую звезду. При этих взрывах выделяется достаточно энергии, чтобы на короткое время затмить остальные объекты галактики: поэтому сверхновые видны на огромных космологических расстояниях.

Все, что нужно для обнаружения сверхновой, – это сделать снимок неба, подождать немного, скажем неделю, а затем сделать еще одно изображение того же самого участка – чем больше будет изображение, тем лучше, потому что так оно будет захватывать больше галактик. Обычно два изображения, следующих друг за другом, выглядят одинаково, потому что галактики не сдвинулись с места и вообще картина их местоположения на небе никак не изменилась. Единственное отличие составляют условия наблюдений: так, например, одна ночь может быть немного пасмурнее другой или на изображении оставили след блики солнечного света, блеснувшие со спутника, или огни самолета, – то есть такие эффекты, которые легко обнаруживаются и удаляются. Но время от времени что-то будет выглядеть по-другому: в галактике или рядом с ней вдруг возникнет яркое пятно, которого раньше не было, – это классический признак вспышки сверхновой. Так, пока я пишу эту книгу, в галактике М95 недавно вспыхнула сверхновая, и все астрономы – как профессионалы, так и любители – лихорадочно разворачивают свои телескопы, чтобы следить за ней. Когда сверхновая взрывается в известной галактике, такой как М95, это очень заметно, но о подавляющем большинстве других галактик такого не скажешь.

Как только сверхновая взрывается, она мгновенно вспыхивает до максимума, а затем тускнеет в течение нескольких дней и недель. Этот процесс называется кривой блеска сверхновой. Затухающий свет в сверхновой типа Ia вызывается в первую очередь радиоактивным распадом никеля с периодом полураспада около недели (это значит, что за неделю около половины никеля распадается в другие изотопы), а после – распадом кобальта, который отличается более длительным периодом полураспада – около одиннадцати недель. Таким образом, затухающий свет сверхновой виден достаточно долго и, следовательно, его можно отследить. Однако крайне важно поймать сверхновую как можно ближе к пику ее сияния, а затем проводить наблюдения за ней через регулярные интервалы, чтобы правильно измерить процесс затухания и получить хорошее измерение формы кривой блеска. Кроме того, сверхновые – довольно редкие события в обычных галактиках, по крайней мере в человеческом масштабе времени, – в среднем около одного взрыва в столетие на галактику. Лучший шанс поймать сверхновую – наблюдать за большим количеством галактик: например, если вы проводите наблюдение за 100 галактик, то можете обнаруживать в среднем одну сверхновую в год. Отслеживайте миллион галактик – и вы сможете поймать около 30 сверхновых в день, если правильно примените ваши алгоритмы слежения и обнаружения: миллион галактик – это слишком много, чтобы их можно было проверить на глаз: здесь нужна работа компьютера. Опять же, не лишними будут обзоры, которые могут совершать очень большие телескопы.

Вот что важно: считается, что все сверхновые типа Ia имеют одинаковую внутреннюю светимость на своем максимуме. Как мы видели, если известна истинная внутренняя светимость объекта, ее можно сравнить с блеском, который мы видим, и определить, насколько далеко расположен этот объект. Другими словами, сверхновые типа Ias – это «стандартные свечи», как и цефеиды. И это невероятно полезно: так мы получаем возможность измерять расстояния для галактик далеко за пределами Местной группы и таким образом калибровать закон Хаббла по космологическим расстояниям.

За последнее десятилетие две группы астрономов во главе с Солом Перлмуттером и Брайаном Шмидтом провели совместную работу по обнаружению и измерению сверхновых в большом количестве отдаленных галактик. Но когда данные нанесли на график Хаббла, отражающий зависимость расстояния от красного смещения, было сделано удивительное открытие: отдаленные сверхновые звезды выглядели более тусклыми, чем можно было бы ожидать, если бы мы выполнили простую линейную экстраполяцию закона Хаббла. Что это могло значить? Объяснить тусклость далеких сверхновых могло то, что они располагаются дальше, чем это предсказывает наивная экстраполяция закона Хаббла. Результаты наблюдений сверхновых показали, что скорость расширения увеличивается – значит, сверхновые выглядят более тусклыми при данном красном смещении. Происхождение этого ускорения получило название «темная энергия», точная природа которой неясна. Мы не будем здесь много говорить о темной энергии, потому что она не слишком сильно (на данный момент) влияет на эволюцию отдельных галактик. Разумеется, исследование и открытие ускоряющейся Вселенной были настолько важными, что Перлмуттеру и Шмидту наряду с Адамом Риссом – одним из главных участников открытия, – в 2011 году была присуждена Нобелевская премия по физике.

С точки зрения космолога сверхновые – это полезные события, которые используются в качестве инструментов, позволяющих нам понимать геометрию и историю расширения Вселенной. Сверхновые также играют значительную роль в эволюции галактики. Без них нас, наверное, не было бы здесь. Ключ – их взрывная сила. Звезды – это ядерные печи, где формируется большинство элементов, не появившихся в процессе нуклеосинтеза вскоре после Большого взрыва. Звездный нуклеосинтез происходит в ходе ядерного синтеза в ядрах звезд, где более легкие элементы объединяются в более тяжелые. Ядерная реакция высвобождает энергию, которую мы воспринимаем как звездный свет. В течение многих лет мы пытались, имитируя физику звезд, заставить ядерный синтез работать на Земле в качестве практичного источника энергии, но создание термоядерного синтеза в промышленном масштабе – масштабная технологическая задача. Это произойдет, хотя, возможно, и не в течение ближайших десятилетий, и на данный момент нам придется обойтись более грязной «кузиной» термоядерного синтеза – расщеплением.

Когда сверхновая гибнет, взрыв быстро распространяется наружу, как надувающийся воздушный шар, врезаясь во все, что находится поблизости, сметая тяжелые элементы и рассеивая их в окружающем пространстве. Со временем благодаря непрерывной детонации других сверхновых (скорость появления сверхновых звезд в галактике связана со скоростью, с которой в ней образуются новые звезды) межзвездная среда обогащается новыми элементами – металлами, которые сформировались в звездах. Взрывные волны сверхновых наряду с дующими с поверхностей звезд ветрами, вращением или другими внутренними движениями самой галактики приводят к перемешиванию этой обогащенной межзвездной среды.

Облако водорода, обогащенное металлами, может снова разрушиться, образуя новые звезды. Водорода чрезвычайно много: он не расходуется полностью «за один раз», поэтому образование звезд в галактиках может поддерживаться довольно долго. Звезды, которые образуются в таком облаке, будут сильнее обогащены металлами, чем предыдущее поколение. Кроме того, эти новые звезды после своего рождения окружены пылевыми дисками. Таков процесс происхождения новых солнечных систем; внутри этих пылевых дисков могут образовываться новые планеты. Наша Солнечная система сформировалась точно так же. Такие планеты, как Земля, состоят в основном из железа и кремния; как мы знаем, Земля содержит и множество других элементов, из которых наиболее важные для нас – углерод и кислород, делающие жизнь такой, какой мы ее знаем.

Изящные линии розово-синей туманности на изображении – это остатки сверхновой Вела, взорвавшейся более 10 000 лет назад в нашей Галактике. Сверхновые – это бурная гибель массивных звезд; они являются участниками распределения в межзвездной среде материала, образовавшегося в ходе эволюции звезд. Также они отвечают за сбрасывание энергии в непосредственно прилегающие к ним области, когда сила взрыва разгоняет окружающие газ и пыль. Это может расчистить часть газа вокруг областей звездообразования и, следовательно, помочь регулировать образование новой звезды за счет контроля количества плотного газа, поддающегося гравитационному разрушению. Совокупным эффектом многих сверхновых, взрывающихся в галактике, может быть галактический ветер, который вытесняет из нее газ и пыль. Сверхновые настолько ярки, что их можно наблюдать на космологических расстояниях

Светящаяся газовая оболочка, которая является остатком сверхновой, SNR 0509-67.5 – еще одна демонстрация того, как элементы, генерируемые в звездах, могут рассеиваться в межзвездном пространстве

Когда примерно через 5 млрд лет наше Солнце сожжет водородное топливо и умрет, оно не станет сверхновой (для этого оно недостаточно массивно), а превратится в расширяющегося красного гиганта: Солнце поглотит и сожжет все ближние планеты, а также, скорее всего, уничтожит или как минимум серьезно повлияет на дальние газовые гиганты. В конце концов благодаря своим смертельным конвульсиям и потере внешних слоев за 10 млрд лет Солнце обогатит нашу солнечную среду новым поколением тяжелых элементов, что немного увеличит металличность Млечного Пути. Однажды, в далеком будущем, некоторые элементы из этих материалов могут попасть в новую планетарную систему и, возможно, в совершенно новую экосистему. Люди смогут избежать судьбы Солнечной системы, научившись межзвездным путешествиям или хотя бы отправившись в безопасное место между звездами. У нас в запасе есть еще около 5 млрд лет, чтобы придумать, как сделать это.

Эта почти круглая оболочка представляет собой остаток сверхновой SN 1006, показанный в радио (красный), видимом (желтый) и рентгеновском (синий) свете. Изображение демонстрирует расширяющуюся оболочку горячих газов, унесенных взрывом звезды в нашей Галактике (рентгеновские лучи показывают излучение самого горячего газа). Звезда взорвалась около 1000 лет назад, и теперь продукты звездной эволюции – тяжелые, а также другие элементы, выкованные в самом сердце взрыва, – рассеиваются обратно в межзвездную среду. Таким образом, сверхновые играют роль в обогащении межзвездной среды галактик, которая должна быть включена в новые поколения звезд, где тяжелые элементы могут образовывать такие объекты, как планеты и человечество. Их взрывная сила также выбрасывает энергию в межзвездную среду, и эта обратная связь может управлять мощными галактическими ветрами, которые переносят материю от мест образования звезд и, в экстремальных случаях, от диска самой галактики

Конец звезды: туманность Кошачьего Глаза в Млечном Пути. Эта чрезвычайно сложная структура представляет собой останки звезды, которая потеряла свои слои на последних стадиях звездной эволюции, породив так называемую планетарную туманность. В центре формируется компактный белый карлик, остающийся от ядра звезды. Гибель звезд, конечная фаза звездной эволюции, – неотъемлемая часть общей эволюции галактик, поскольку она позволяет рассеивать в межзвездную среду тяжелые элементы, образующиеся внутри звезд в течение их жизни. Эти тяжелые элементы, или металлы, обогащают межзвездную среду и смешиваются с новыми поколениями звезд. Наилучшим подтверждением тому служит наша Солнечная система: существование планет и людей обусловлено тем, что облако газа, из которого образовалось Солнце, было загрязнено пеплом мертвых звезд. Кошачий Глаз – предвестие судьбы нашего Солнца, которая ожидает его через 5 млрд лет

Постоянный коллапс газовых облаков в процессе создания новых звезд, а также рециркуляция и постепенное обогащение межзвездной среды в результате эволюции звезд – ключевой процесс в эволюции галактик. Моя работа включает изучение галактик на большом красном смещении далеко за пределами нашей Местной группы – значительно дальше краев нашего кубика 1 × 1 м. Одна из важнейших концепций заключается в том, что, хотя мы говорили о связи между красным смещением и расстоянием, я не воспринимаю галактики, которые я изучаю, как невероятно далекие космические объекты (хотя они действительно далеко). Я считаю их отдаленными во времени, а не современными Млечному Пути. Расстояния между ними настолько велики, что испускаемый «далекими» галактиками свет, который мы видим, физически был излучен в древнем прошлом – миллиарды лет назад. Так что на самом деле мы измеряем то, какими были галактики, когда Вселенная была моложе. Некоторые отдаленные галактики сейчас (в этот самый момент) стали уже совсем другими, но мы не можем этого увидеть, потому что этот свет еще не дошел до нас.

Однако это не так уж и плохо, потому что, глядя в прошлое, мы можем понять, как космос и все его содержимое изменялись в процессе своей эволюции. Наблюдая за все более отдаленными галактиками, мы смотрим все дальше и дальше в прошлое. В этом суть моих исследований – изучение эволюции галактик.

Давайте очень кратко повторим все, что мы знаем, прежде чем продолжить наше путешествие. Мы оказались в ловушке на планете, вращающейся вокруг звезды, которая сама вращается – наряду с миллиардами других звезд и планетарных систем – вокруг дискообразной звездной системы, которую мы называем галактикой Млечный Путь, заполненной звездами, газом и пылью, а в «сердце» этой системы расположена огромная черная дыра. Мы знаем, что есть и другие галактики за пределами нашей: некоторые из них такие же, как Млечный Путь, некоторые – нет, и все они разделены огромными расстояниями и организованы в крупномасштабную структуру скоплений, групп и нитей. Когда звезды горят в этих галактиках, образуются новые элементы – металлы, которые могут рассеиваться по всей галактике, когда звезды умирают. Поскольку галактики отдаляются друг от друга все дальше, то времени, необходимого свету на преодоление большого расстояния между ними и нашими детекторами, требуется очень много, и поэтому мы видим эти галактики такими, какими они были раньше. Когда мы смотрим на очень далекие галактики, то получаем снимок прошлого Вселенной, и это – основа для наших исследований эволюции галактик. Так что пока у нас все довольно неплохо.

Туманность Ориона – область в нашей Галактике, где формируются новые звезды, изображаемые здесь в ближнем инфракрасном свете. Орион сияет за счет ионизированного газа и рассеянного звездного света, когда новые звезды освещают свои «колыбели», полные газа и пыли. Отображение этой области в ближнем инфракрасном свете позволяет астрономам преодолевать бо́льшую часть затемняющей пыли, которая коконом укутывает зарождающиеся звезды в центре туманности

Глава 3

Увидеть больше

Созвездия и астеризмы[3] не всегда являются физическими группами звезд, но они создают иллюзию общности, потому что мы не можем разобрать уровни их распределения невооруженным глазом. То, что мы видим, – просто проекции ярких звезд на разные расстояния, которые образуют узнаваемые формы. Способность человеческого мозга распознавать закономерности в звездах стала первым вкладом нашего вида в науку об астрономии, поскольку она позволила нам создавать карты звезд, разделяющие небо на самостоятельные области. Без этих удобных шаблонов было бы намного сложнее реидентифицировать звезду, планету или комету или указать ее местоположение.

В следующий раз, когда вы сможете увидеть созвездие Ориона, присмотритесь к нему повнимательнее. Орион – мое любимое созвездие, не только из-за безошибочно узнаваемого пояса из ярких звезд, который мгновенно запускает примитивные функции распознавания образов нашего мозга, но и потому, что внутри этого созвездия находится знаменитая туманность Ориона – огромный газовый комплекс, в котором формируются новые звезды.

Туманность Ориона достаточно большая и яркая, чтобы ее можно было легко обнаружить в обычный бинокль. На мой взгляд, прекрасные виды туманностей, которые дает нам телескоп, – это одни из самых впечатляющих изображений естественного мира. Туманность пылает светом ионизированного газа – в основном водорода, который отличается красноватым свечением, – и синим светом, излучаемым зарождающимися звездами, который отражается от межзвездного газа и пыли и рассеивается. Также есть излучение и от других элементов, смешивающихся со светом туманности. К таким пейзажам относится, конечно же, и знаменитая туманность Конская Голова: филигранные плетения из плотного газа, который поглощает излучаемый за ним свет, придают ей подобную форму.

Возможность увидеть эту фабрику звезд из моего сада, когда я был юн и рассматривал небо с помощью моего маленького телескопа-рефрактора, стала тем, что вдохновило меня выбрать астрономию как профессию. В то время я еще не знал об астрофизических деталях, регулирующих свечение туманности, – меня захватил сам факт того, что можно увидеть это своими глазами, а не в какой-то книге. Впервые тогда я по-настоящему понял, что галактика – не просто кучка точечных безликих звезд и чернота между ними. Итак, почему я выбрал Орион? Это не только мое любимое созвездие, но замечательная иллюстрация того, насколько разными бывают звезды. Лишь на первый взгляд они выглядят примерно одинаково: всего лишь точки белого света различной яркости. Найдите темное место вдали от свечения домов и уличных фонарей и дайте глазам привыкнуть к темноте – тогда вы заметите, что некоторые из ярких звезд немного отличаются по цвету.

Множество разных звезд

Самая яркая звезда в левом верхнем углу (на плече) Ориона – это красный супергигант Бетельгейзе. Присмотритесь – и вы заметите, что она отличается красноватым цветом. Бетельгейзе – молодая массивная звезда примерно в 20 раз тяжелее Солнца. Ей всего 10 млн лет (по сравнению с ней наше Солнце – пожилое светило возрастом в 5 млрд лет), но Бетельгейзе уже доживает свои последние дни.

Чем массивнее звезда, тем быстрее она развивается, то есть потребляет водородное топливо. Когда газ кончается, звезда начинает умирать, потому что больше не может сопротивляться силе тяжести, которая пытается раздавить звезду – и внешним давлением, и создаваемым энергией ядерных реакций в ее ядре. Звезды ведут эту битву на протяжении всей своей жизни, но запасы газа ограничены, а гравитация терпелива – и в конце концов все они приходят к неизбежному концу.

Туманность Конская Голова – это кружево из плотного газа и пыли, подсвеченное излучением ионизированного газа в туманности Ориона. Оптическая длина волны света не может проникнуть через эту структуру, из-за чего Конская Голова четко выделяется на фоне окружающего пространства

Природа этого финала зависит от массы звезды. В предыдущей главе мы говорили о сверхновых – невероятно бурной гибели некоторых звезд. Помимо систем белых карликов, которые могут накапливать материю от звезды-компаньона на двойной орбите и взрываться (сверхновые типа Ia), есть и звезды примерно в 10 раз массивнее Солнца, которые могут взорваться как сверхновые сами по себе, когда коллапсирующее ядро, больше не удерживаемое радиационным давлением, превышает массу и плотность, необходимые для удержания термоядерной реакцией. Мы называем их сверхновыми типа II, среди которых когда-нибудь окажется и Бетельгейзе. Когда она в конце концов взорвется, – а ее материя уже истончается в результате срыва оболочек с поверхности, – то эта сверхновая будет настолько яркой, что ее можно будет увидеть в течение дня. Бетельгейзе не только массивнее, но и намного больше Солнца. Если бы эта звезда находилась на месте Солнца, то поглотила бы и сожгла все, что есть в Солнечной системе в пределах орбиты Марса: она физически равна размеру всей внутренней части системы.

Посмотрите по диагонали на созвездие у подножия Ориона, и вы увидите еще одну яркую звезду – синего супергиганта Ригель, который и будет выглядеть сине-белым, если вы позволите своим глазам привыкнуть. Он почти в 100 000 раз ярче Солнца и на расстоянии около 260 пк от нас кажется одной из самых ярких звезд на небе – прекрасной в ясную ночь. Осмотрев другие небесные светила, вы увидите смесь красного, желтого и синего.

Каково происхождение разных цветов звезд? Как мы уже знаем, в астрономии цвет какого-либо объекта измеряется как разница в яркости через два разных фотометрических фильтра или, в более общем смысле, на двух разных длинах волн света. В сочетании с измерением яркости звезды ее цвет соотносится с другими звездами и позволяет их классифицировать. Цвет звезды отражает температуру ее поверхности: синий – горячий, красный – холодный. Принцип, лежащий в основе этого, можно проследить на простом примере, когда вы берете, скажем, металлический стержень и нагреваете его паяльной лампой. Сначала он будет светиться красным, затем оранжевым, а затем сине-белым, поскольку будет становиться все жарче и горячее. Чем горячее стержень, тем больше тепловой энергии он накапливает. Эта тепловая энергия излучается как свет – электромагнитное излучение, – и точная температура задает частоту, или цвет, излучаемого света. То же относится и к звездам. Для сведения: температура поверхности Солнца составляет около 6000 °C.

Если мы составим диаграмму яркости звезд по их цвету, то обнаружим, что точки распределены определенным образом: существует довольно узкий локус (участок), вдоль которого лежит большинство звезд. Самые голубые, или самые горячие, звезды светят ярче, а самые красные, или самые холодные, – тусклее. Это отношение называется диаграммой Герцшпрунга – Рассела в честь астрономов Эйнара Герцшпрунга и Генри Норриса Рассела, которые (хоть и работали порознь) стали его первооткрывателями в начале XX века. Локус, в котором находится большинство звезд, называется главной последовательностью, а местоположение конкретной звезды на главной последовательности определяется ее массой. Вдоль последовательности существует непрерывный диапазон звездных температур, и мы разбиваем этот диапазон на бины, или спектральные классы. Точный спектральный класс задается химическим составом звезды, определенным по ее спектру, который демонстрирует диапазон характеристик излучения водорода и гелия и поглощения металлов. Однако в качестве приближения первого порядка цвет звезды является хорошим показателем температуры ее поверхности и, следовательно, спектрального класса. Поскольку масса звезды связана с температурой ее поверхности и светимостью (пусть и немного по-разному), оценить ее можно будет с помощью положения звезды на главной последовательности.

Спектральные классы кодируются (от горячего синего до холодного красного) символами O, B, A, F, G, K и M. Так, например, Солнце – звезда типа G, Ригель – типа B, а Бетельгейзе – типа M. Солнце – звезда главной последовательности, тогда как Ригель и Бетельгейзе лежат в других локусах, называемых гигантскими ветвями. Звезды находятся в главной последовательности, пока в их ядрах горит водород. После того как водород израсходован, внутри звезды начинают происходить ядерные реакции и она «уходит» в другие локусы. У такой звезды, как наше Солнце, начало этой эволюции запускается израсходованием водорода в ядре; тогда оно насыщается гелием – одним из продуктов сжигания водорода. Когда это происходит, начитает расширяться размер области, в которой происходят ядерные реакции, поскольку оставшийся водород в звезде сжигается в ее оболочках, а не в центральном ядре. Переход от горения ядра к горению оболочек означает, что через какое-то время Солнце физически расширится до красного гиганта. Выход энергии начнет стремительно расти из-за увеличивающегося давления в ядре; это вызовет повышение светимости, которая сожжет и поглотит внутреннюю Солнечную систему. В конце своей жизни, когда в оставшемся газе больше не смогут происходить ядерные реакции, Солнце повысит температуру и сбросит свою атмосферу (которая, как вы помните, была обогащена новыми элементами, образовавшимися во время термоядерного синтеза, происходившего на протяжении всей его жизни). В итоге останется прохладный компактный остаток в виде белого карлика в центре так называемой планетарной туманности – расширяющихся, рассеянных останках того, что когда-то было звездным материалом. Самые массивные звезды, такие как Ригель и Бетельгейзе, быстро эволюционируют, давая начало гигантским ветвям, простирающимся от вершины главной последовательности. Поскольку эти звезды так быстро умирают, они часто встречаются вблизи мест, где активно формируются новые звезды (например, в созвездии Ориона). Именно ультрафиолетовый и синий свет звезд типов O и B вносят свой вклад в голубой цвет галактик с активными процессами звездообразования.

На снимке представлено темное облако Барнард 68, входящее в Каталог темных туманностей, составленный Эдвардом Эмерсоном Барнардом. Темная туманность – это облако плотного молекулярного газа и пыли примерно вдвое больше массы Солнца, расположенное к нам настолько близко, что между нами даже нет никаких промежуточных звезд. Облако непрозрачно для фонового света, поэтому на оптических изображениях оно выглядит совершенно темным. В будущем Барнард 68 под воздействием гравитации будет разрушаться и, возможно, даст жизнь новой звезде

Еще одно изображение темного облака Барнард 68, на этот раз – в видимом и ближнем инфракрасном свете, который закодирован как красный канал. В отличие от снимка Барнарда 68, сделанного только в видимом свете, где облако выглядит полностью непрозрачным, здесь сквозь него видны звезды. Эта иллюстрация прекрасно показывает, насколько легче ближний инфракрасный свет проходит через плотную, пыльную и богатую газом среду в отличие от видимого света с меньшей длиной волны, который легко поглощается

Темное облако Lupus 3 – пылевая молекулярная область в нашей Галактике; она непрозрачна для видимого света и заслоняет вид звездного фонового поля. Яркие голубые звезды – это новые, молодые и горячие светила, которые только что сформировались и появились из плотного темного облака. Синяя дымка, окружающая их, – это звездный свет, рассеянный пылью и газом в непосредственной звездной среде, – напоминает дымку, окружающую уличный фонарь в туманную ночь

Следует помнить: хотя на главной последовательности все звезды излучают основную часть своей энергии в полосах ультрафиолетового и видимого света, место пика этого излучения все же зависит от спектрального класса звезды и соотносится с ее цветом. Интенсивное УФ-излучение – как мы помним по солнечным ожогам – вредно для биологических систем, и атмосфера Земли блокирует основную его часть. Большинство оптических фотонов проходят сквозь нее, и неслучайно растения, а также человеческие глаза и даже глаза большинства животных эволюционировали, чтобы воспринимать это излучение. Таким образом, наряду с рекламными объявлениями, нередко напоминающими о нашем «звездном» происхождении из пыли, тот факт, что мы видим мир в узком диапазоне оптического света, а не ультрафиолетового или инфракрасного излучения или какой-либо другой длины волны, становится еще одним звеном и ежедневным напоминанием о связи между биологической жизнью на Земле и физикой звезд.

Молекулярное облако Тельца – большой комплекс плотного газа и пыли в нашей Галактике – еще одно место, где могут образовываться новые звезды. В видимом свете эта часть облака выглядит как темная полоса поперек звездного поля: здесь плотный газ и пыль блокируют свет фоновых звезд, а само облако не испускает видимого излучения. Но на этом изображении представлены и наблюдения с телескопа, который работает в субмиллиметровой части электромагнитного спектра. Холодная пыль (при температуре несколько десятков градусов выше абсолютного нуля) испускает тепловое излучение на дальнем инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах волн. За счет этого темное щупальце из газа и пыли ярко светится на более длинных волнах. Это составное оптическое и субмиллиметровое изображение показывает тепловое излучение молекулярного облака в оранжевом цвете, обнаружив плотные яркие узлы, где новые звезды готовы появиться на свет. Некоторые далекие галактики, в которых идет активное звездообразование, настолько запылены, что бо́льшая часть их излучения проявляется в дальнем инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах: они фактически недоступны для наблюдения в видимом свете, и для их обнаружения мы используем инфракрасные и субмиллиметровые наблюдения

Итак, звезды с большой массой живут очень недолго, при этом некоторые звезды с самой низкой массой могут жить триллионы лет, что намного больше возраста Вселенной, который, согласно текущим измерениям, составляет чуть менее 14 млрд лет. Пока Вселенная продолжает расширяться, а галактики развиваться, именно звезды с самой низкой массой продолжают стабильно жить, в то время как более массивные постепенно умирают. Звезды будут образовываться в галактиках до тех пор, пока у них будет ядерное топливо, которое может коллапсировать в плотные молекулярные облака, но однажды даже эти резервуары будут исчерпаны. И тогда останется огромная Вселенная, населенная редкими призраками галактик – тусклыми красными системами, содержащими постоянно стареющую популяцию древних звезд. Однажды, в далеком будущем, свет во Вселенной погаснет. Но, к счастью, сейчас и в ближайшие миллиарды лет она продолжит сиять.

Галактики содержат звезды разных размеров, масс и возрастов, и в процессе наблюдений мы можем различать их по цвету и светимости. Но почему в нашей Галактике столько типов звезд? Почему звезды не формируются одинаково? Для начала забудьте обо всей Галактике – давайте рассмотрим всего один звездообразующий регион. Звезды рождаются в больших газовых облаках, которые возникают в результате гравитационного притяжения: более слабый атомарный водород может конденсироваться, создавая облака молекулярного водорода, которые, в свою очередь, разрушаются под действием силы тяжести не в одну единственную точку, а во множество плотных областей, разделяясь на большое число ядер. Так происходит потому, что облако не однородно: одни области внутри него обладают большей плотностью, другие – меньшей. Это естественный результат образования облака и турбулентных движений внутри него.

Туманность Тарантул (30 Золотой Рыбы) – звездообразующая область, расположенная в спутнике Млечного Пути – Большом Магеллановом Облаке. Окружающая среда, подобная этой, называется областью HII из-за излучения ионизованного атомарного водорода

Крупный план туманности Тарантул. Эта область освещена скоплением голубых звезд, похожим на фейерверк. Эти недавно появившиеся на свет звезды очень массивны и горячи и испускают большое количество ультрафиолетового и оптического излучения, вакуумируя пузырь в туманности и вызывая свечение окружающего газа по мере его ионизации. Снимок показывает свет ионизированного кислорода и водорода

Самые плотные области в облаке стремятся разрушиться первыми. Сначала плотные сгустки образуют протозвездные ядра – плотные газовые шарики, в которых потенциально возможен запуск ядерного синтеза. Если плотность ядра достигает достаточного уровня, ядерные реакции могут запуститься, и тогда родится звезда. Разрушаясь, облако газа может образовать не одну звезду, а несколько в поколении, создав звездное скопление. Сформировавшись, звезды приходят в движение, так как получают импульс от коллапсирующих областей, в которых они возникли.

Это означает, что новые звезды начинают удаляться, покидая место своего рождения, словно птенцы гнездо. Как и у людей, рождающихся с разным весом, в массе коллапсирующих ядер и порожденных ими звезд есть определенный разброс. Функция этого распределения называется начальной функцией масс (НФМ) и описывает распределение масс звезд в элементе объема с точки зрения их начальной массы (той, с которой они сформировались). Кроме того, ее можно рассматривать как распределение вероятностей: если я выберу новую звезду случайным образом, где она будет на главной последовательности?

Смотря на определенные области в нашей Галактике, мы знаем, что при фиксации скопления массивных молодых звезд мы обнаружим активную звездообразующую область. Ту же уловку можно применить и в отношении далеких галактик, чтобы выявить те из них, где активно формируются звезды. Определение НФМ также имеет жизненно важное значение в нашей интерпретации галактик, потому что это позволяет нам оценить их общие звездные массы. Помните, мы не измеряем массу напрямую – только свет, как правило, намешанный из излучений всех звезд в галактике. НФМ позволяет нам преобразовать полную звездную светимость галактики в общую звездную массу. Аналогично вычисляется общий вес группы людей за счет их пересчета при условии, что у вас есть предварительная оценка типичного распределения веса. До сих пор неясно, является ли НФМ универсальной и неизменной с течением времени: точное происхождение локальной НФМ все еще обсуждается, будучи одним из самых значительных белых пятен в исследованиях эволюции галактик.

Газ: чертежи звездообразования

Выше мы исследовали гипотетическое газовое облако, которое гравитационно разрушается и производит новые звезды. Это была просто иллюстрация того, как они формируются. Но каково распределение звезд и газа в Млечном Пути в целом?

Снимок области активного звездообразования Единорог в галактике Млечный Путь сделан телескопом VISTA в инфракрасном режиме. На снимке изображена часть гигантского молекулярного облака, но здесь мы видим только те его фрагменты, где новые звезды, большинство из которых плотно сгруппированы вблизи центра этого изображения, освещают окружающий газ и пыль, которые отражают и рассеивают этот свет. Большое поле обзора и сверхчувствительные приемники VISTA идеально подходят для съемки подобных панорам, которые могут охватывать несколько градусов неба

Как мы знаем, Млечный Путь можно разделить на диск и центральный балдж – белок и желток, если хотите. Именно на галактическом диске расположено большинство плотных газовых резервуаров, ответственных за образование новых звезд, – так называемые гигантские молекулярные облака. Они охватывают около 100 пк и содержат достаточно топлива для создания – потенциально, конечно – миллионов новых звезд. А молекулярные они, потому что газ внутри них состоит в основном из самой простой молекулы – молекулярного водорода: всего два протона, связанных вместе электронами, образуют простую ковалентную связь. Прежде чем образоваться, молекулярные облака должны остыть от более слабого газа, где атомы водорода еще не связаны друг с другом. Мы говорим «остыть», потому что для образования молекул эти атомы должны находиться достаточно близко, чтобы их связала электромагнитная сила. Иначе они просто будут проноситься мимо друг друга, что и происходит в горячем газе, где атомы обладают большой энергией, соответствующей высоким скоростям. Эта энергия должна быть потеряна или хотя бы уменьшена, чтобы молекулы (а впоследствии и звезды) могли сформироваться.

Кажется довольно странным, что горячие звезды образуются из охлажденного газа, но на самом деле мы имеем в виду, что газовое облако в целом разрушается гравитационно, теряя часть своей внутренней энергии, чтобы термоядерная реакция, необходимая для рождения звезды, могла в итоге запуститься в динамически холодных скоплениях. Как только в облаке начинают образовываться звезды, они становятся источником радиации и ветров, которые разрывают полотно газа вокруг мест формирования звезд. Эта обратная реакция не только ионизирует окружающий газ, создавая светящуюся туманность (например, как Орион): сама комбинация излучения и ветра, испускаемых звездами, приводит к формированию пузырьков и полостей внутри гигантских молекулярных облаков, влияя на распределение и химический состав газа. Таким образом, астрофизика на стыке звездообразования и межзвездной среды невероятно сложна и заслуживает отдельного направления в исследованиях.

По галактическому диску разбросано много гигантских молекулярных облаков. Если бы мы могли посмотреть на Млечный Путь сверху, то увидели бы множество областей ионизированного водорода красного цвета и скопления синих молодых звезд, образующих спиральные рукава галактики. По очевидным причинам мы не можем получить такой обзор, но изображения близлежащих спиральных галактик, которые обращены к нам, дают отличное представление о том, как выглядит Млечный Путь снаружи.

Мы измеряем скорость звездообразования галактики в единицах массы Солнца, образующихся за год. В Млечном Пути она составляет всего несколько масс Солнца в год, но следует учитывать, что даже спустя миллиарды лет эволюции Галактика еще не израсходовала весь свой газ: она остается местом активного рождения звезд, хотя и относительно спокойным по сравнению с самыми дальними галактиками во Вселенной. Если бы мы могли подождать достаточно долго и увидеть эволюцию Млечного Пути, то обнаружили бы, что почти весь собственный газ в Галактике стал звездами, а запасной из окружающего межгалактического пространства, постепенно попадающий в нее под действием гравитации, из мощного потока превратился в тонкую струйку.

Спустя несколько десятков или сотен миллионов лет, когда сформируется последнее звездное поколение, массивные звезды умрут, оставив позади своих более долговечных, но менее крупных кузенов. Диск в итоге исчезнет, сменив цвет с синего на красный, поскольку более голубые спектральные классы будут постепенно исчезать. Такие галактики уже существуют и называются пассивными спиралями. Считается, что они представляют собой типичные спирали, в которых образование звезд прекратилось либо из-за влияния окружающей среды, которое препятствует образованию новых звезд в газе, либо из-за того, что у них иссякло топливо.

Этот замечательный снимок области звездообразования в Млечном Пути, туманности Киля, снят с помощью космического телескопа «Хаббл». Изображение показывает туманное свечение водорода, серы и кислорода, возбуждаемое светом, который излучается недавно сформировавшимися звездами. Они также формируют туманность, поскольку излучение и ветры, исходящие от поверхности звезд, разрушают окружающие газопылевые облака. Самые массивные звезды, образовавшиеся в этой туманности, быстро умрут – в течение нескольких миллионов лет после их рождения. Их смерть в результате взрывов сверхновых приведет к тому, что энергия и новые элементы вернутся в межзвездную среду. Сера и кислород, которые способствуют изменчивости этого места, – настоящее тому доказательство, так как эти элементы были сформированы предыдущими поколениями звезд

С другой стороны, если Млечный Путь столкнется с другой галактикой, как это, вероятно, и произойдет с М31, такое бурное событие может сильно повысить скорость звездообразования. Мощные гравитационные приливные силы будут искажать и разрывать два галактических диска и вызовут вспышки звездообразования в потревоженных облаках. Физически никакие звезды не столкнутся: они настолько малы, что шансы на отдельные сближения звезд при столкновении галактик очень малы. Такого рода вспышки мы видим в других недавно столкнувшихся галактиках: звездные диски разорваны на длинные хвосты, в результате чего появились участки интенсивного излучения в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, часто по направлению к плотному центру системы. Когда все успокоится, наша Галактика изменится – химически, динамически и структурно, а новые поколения звезд и солнечные системы, которые образуются вместе с ними, обогатятся элементами, сформировавшимися давным-давно в далекой-далекой галактике.

Снимок рождения звезд в туманности Киля сфокусирован на столпе газа и пыли, внутри которого образуются новые светила. Этот столп – лишь часть более крупного комплекса звездообразования в огромном облаке газа. Повсюду в дисках Млечного Пути и других звездообразующих галактик, где есть запасы холодного плотного газа и подходящие условия для запуска термоядерных реакций, разыгрывается этот сценарий. Столп звездообразования довольно непрозрачен даже для интенсивного света, испускаемого новыми звездами внутри него, но можно увидеть струи от некоторых молодых массивных звезд внутри столба, вырывающиеся вбок из колонны. Вся область искрится от света ионизированного газа и рассеянного свечения звезд. Звездообразование это энергетический процесс: излучение и ветер от самых массивных молодых звезд могут кардинально изменить и сформировать свое непосредственное окружение, а также стать частью энергии обратной связи, отвечающей за регулирование роста галактик

Туманность Пламени – звездообразующая область в Млечном Пути рядом с туманностью Ориона – изображена здесь в ближней инфракрасной части спектра. Это позволяет нам смотреть сквозь большую часть межзвездной пыли, блокирующей свет на более синих длинах волн, и выявлять яркие молодые звезды, которые образуются в этой плотной среде газа и пыли и освещают «стены» туманности вокруг себя

Столкновения галактик – события, которые потрясают все вокруг себя: они доставляют (или объединяют) новый материал и способствуют новому росту. Как и всегда, плотный газ – главное место действия, но этот газ на удивление трудно обнаружить. Бо́льшую часть молекулярного водорода в галактиках нельзя наблюдать непосредственно по физическим причинам, связанным со структурой молекул водорода: а дело в том, что в нормальных условиях он не испускает излучение, которое мы можем засечь. И все же молекулярный водород – фундаментальный компонент галактик. Так как же нам узнать о свойствах этого сырья, столь важного для звездообразования?

Увидеть светящийся ионизированный газ вокруг областей звездообразования легко, но они больше похожи на пожары в саванне – только гигантской. Бо́льшая часть газа в гигантском молекулярном облаке не образует звезд. Тогда как нам измерить и нанести на карту молекулярный газ? Ответ кроется в загрязнении этого газа предыдущими поколениями звезд. Окись углерода (СО) – одна из наиболее распространенных молекул в галактиках после водорода. Этот материал излучается при слабом горении газового огня и стремится к смешению с газообразным водородом, что чрезвычайно полезно. В отличие от молекул водорода, окись углерода испускает излучение при переходе из основного энергетического состояния в возбужденное. В результате энергия имеет форму простого вращения молекул окиси углерода, представляющих собой отдельные атомы углерода и кислорода, связанные вместе. Это вращение может происходить при столкновении молекул окиси углерода с молекулами водорода. Как мы уже говорили, изменения энергии квантовых систем, например молекул, приводят к излучению точно настроенного излучения. На молекулярном уровне даже вращение такой молекулы, как окись углерода, регулируется квантовой механикой: разрешены только определенные типы вращения. Это означает, что окись углерода при вращательном возбуждении испускает излучение с регулярными частотными интервалами. Разные частоты излучения соответствуют разным энергетическим состояниям: самые высокие частоты испускаются молекулами окиси углерода в наиболее высокоэнергичных состояниях, и наоборот. Эти энергетические состояния зависят от плотности и температуры газа.

Два взгляда на одну галактику. Левый снимок представляет собой изображение М83 в ближнем инфракрасном свете, а правый – в видимом свете. Розовые и синие оттенки на изображении в видимом свете указывают на новые звезды и ионизированный газ областей HII, в основном в дисковых и спиральных рукавах галактики. Они невидимы на ближнем инфракрасном изображении, потому что молодые массивные звезды излучают бо́льшую часть своей энергии в ультрафиолетовой и синей частях спектра. И наоборот, более старшее и зрелое звездное население галактики дает много ближнего инфракрасного света, поэтому центральная полоса и балдж более заметны на левом изображении, хотя здесь также можно увидеть скопления гигантских красных звезд, которые связаны с областями звездообразования справа. Мы не видим такого распространения полос пыли на ближнем инфракрасном изображении, потому что эти фотоны могут лучше прорезать межзвездную пыль, чем легкопоглощаемые синие. Такие изображения галактик на разных длинах волн света позволяют нам снять больше слоев, словно в процессе анатомирования, и получить новые знания о многих различных компонентах галактик и связях между ними

Для запуска процесса излучения крайне низкоэнергетических линий окиси углерода требуется плотность газа в несколько сотен частиц на кубический сантиметр и температура на несколько десятков градусов выше абсолютного нуля. В данном контексте газ, который производит эту эмиссию, указывает на объемный резервуар молекулярного топлива. В отличие от линий излучения ионизированного газа, о которых я говорил ранее, рассуждая о видимой части спектра, длина волны излучения окиси углерода составляет около 1 мм между дальним инфракрасным и радиоучастком спектра, поэтому его нельзя наблюдать при помощи обычного оптического телескопа. Вместо этого мы обратимся к радиотелескопам (или, точнее, телескопам, работающим на миллиметровых волнах), оснащенным подходящими детекторами, которые могут обнаруживать фотоны этой длины волны. Обнаружив эмиссию оксида углерода, мы можем измерить общее количество света и преобразовать его в светимость окиси углерода (предполагается, что у нас уже есть некоторое понимание того, как далеко находится излучающий газ). Поскольку газ, выделяющий окись углерода, смешивается с молекулярным водородом таким образом, что чем больше водорода, тем больше окиси углерода, мы можем преобразовать наблюдаемую светимость окиси углерода в массу молекулярного водорода. А это уже, в свою очередь, позволит нам определить, сколько газа доступно для звездообразования в газовом молекулярном облаке или даже в целой галактике.

Традиционно задача наблюдения за галактиками, находящимися далеко за пределами нашей Местной группы, была довольно сложной: технологий, необходимых для обнаружения слабых выбросов окиси углерода в очень далеких галактиках (кроме самых экстремальных ярких галактик, таких как квазары), попросту не было. Однако ситуация меняется прямо у нас на глазах в результате разработки нового телескопа, или, точнее, комплекса телескопов «Атакамская большая [антенная] решетка миллиметрового диапазона» (англ. Atacama Large Millimeter Array, ALMA).

ALMA – комплекс из 66 антенн (54 антенн диаметром 12 м и 12 антенн диаметром 7 м), объединенных в единый астрономический радиоинтерферометр и расположенных на большой площади в высокогорной чилийской пустыне Атакама на плато Чайнантор на высоте около 5 км. Это международный проект, крупнейшие участники которого – США, Япония и страны Европы. Волшебство, сокрытое в таком количестве телескопов ALMA, заключается в том, что они могут быть связаны электронно, чтобы действовать как один очень большой телескоп, который использует область сбора света всех тарелок и получает очень высокое пространственное разрешение. Такая методика и называется интерферометрией. ALMA невероятно чувствителен в субмиллиметровом и миллиметровом диапазонах и, как только достигнет полной рабочей мощности, сможет обнаруживать молекулярный газ в таких же галактиках, как и Млечный Путь, но видимых ближе к началу космического времени. ALMA – удивительный прорыв в этой области астрономии, открывший новую эру исследования галактик, которая гарантирует нам захватывающие открытия на несколько десятилетий вперед.

Мы говорили о молекулярном газе – строительном материале звезд, – но важно также рассмотреть и другой основной газообразный компонент галактик – нейтральный (то есть не электрически заряженный) атомарный водород HI, который предшествует молекулярной фазе. Этот газ состоит из отдельных атомов водорода, а не его молекул. В отличие от молекулярного водорода атомный компонент более рассеянный и не ограничен плотными компактными облаками, захваченными в диске. Атомарный водород невероятно полезен в качестве индикатора внешних краев дисковых галактик, где плотность – и, следовательно, яркость – звезд начинает уменьшаться. Атомарный водород легко обнаружить, потому что это сильный излучатель радиоволн. Заметьте, что это не какой-то старый вид радиоволн – в остальном диапазоне газ излучает свет с частотой точно 1,4 ГГц, что эквивалентно длине волны 21 см. Как и эмиссия окиси углерода газомолекулярными облаками и те линии эмиссии ионизированного газа вокруг областей звездообразования, эмиссия атомарного водорода с длиной волны в 21 см также является линией эмиссии. Однако теперь физика излучения немного отличается. Это требует объяснения, потому что хорошо иллюстрирует две важные вещи: первая – смехотворность чисел, которыми оперируют в астрофизике, и вторая – еще одна хорошая связь между ней и квантовой механикой.

Комплекс ALMA и Магеллановы Облака, которые выглядят на небе как два расплывчатых пятна света. Магеллановы Облака – это две карликовые галактики – спутники Млечного Пути. У большинства крупных галактик есть подобные спутники; прогнозирование их количества и распределения – одна из актуальных проблем при создании моделей формирования галактик

Атомы водорода состоят из протона и электрона. В квантовой механике эти частицы обладают таким свойством, как спин, которое на самом деле не имеет аналога в классической физике, но немного похоже на квантовый момент импульса. В любом случае, каждый спин протона и электрона может рассматриваться как ориентированный вверх или вниз, так что легко представить себе группу атомов водорода, где и протон, и электрон имеют свои спины в одном и том же направлении (параллельно) или где спины ориентированы в противоположных направлениях (антипараллельно). Оказывается, что квантовое состояние, в котором спины параллельны, отличается немного бо́льшим количеством энергии, чем состояние, в котором они антипараллельны. Квантовая система ленива: ей нравится находиться в состоянии с наименьшей возможной энергией, – поэтому существует механизм, с помощью которого эти атомы с параллельными спинами могут «перевернуть» электрон так, чтобы его спин указывал в направлении, противоположном вращению протона. Это называется сверхтонким расщеплением, потому что разница в энергии между параллельным и антипараллельным состояниями ничтожна по сравнению с общей энергией основного состояния атома водорода.

Энергия, которую система теряет в этом переходе, должна куда-то уходить, поэтому при каждом перевороте спина высвобождается фотон с очень специфической энергией, равняющейся точной разнице в энергии между параллельным и антипараллельным состояниями, которая соответствует электромагнитному излучению – фотону – с длиной волны точно 21 см. Как следствие, нейтральный атомарный водород также может поглощать излучение с длиной волны 21 см, где энергия поглощается атомом и «сохраняется» при выравнивании спинов электрона и протона.

Также сверхтонкое расщепление зовут «запрещенным» переходом, потому что для любого одного атома вероятность того, что оно произойдет при нормальных условиях, крайне мала. На самом деле она настолько мала, что если бы вы наблюдали за одним атомом водорода, выровненным в параллельном состоянии, и ждали, пока он совершит сверхтонкий переход, то это заняло бы у вас в среднем 10 млн лет. А если бы вы наблюдали за 10 млн атомов, то смогли бы увидеть в среднем только один перешедший фотон в год. Это все еще не очень хороший показатель. Однако в астрофизических сценариях мы можем использовать атомный «краудсорсинг»: в астрофизическом облаке газа так много нейтральных атомов водорода, что оно дает действительно яркое радиоизлучение, ведь в любой момент времени огромное количество фотонов с длиной волны в 21 см испускается при помощи сверхтонкого перехода. Я нахожу это вероятностное квантово-механическое высвобождение фотона из одного атома удивительным: оно невозможно на Земле, но стоит поместить его на сцену астрофизического театра – как перед нами разворачивается одно из самых важных наблюдений нашей и других галактик. Радиотелескопы с детекторами, которые можно настроить для обнаружения частоты 1,4 ГГц, могут находить атомный водород в нашей и других близлежащих галактиках.

Опять же, как и при измерениях окиси углерода, обнаружение атомарного водорода на расстояниях, намного удаленных от Местной группы, затруднено. Как и все электромагнитное излучение, испускаемое источником, движущимся относительно нас, линия в 21 см подвержена красному смещению, которое растягивает длину волны на бо́льшую длину и эквивалентно снижает частоту. Частота 1,4 ГГц уже достаточно низка. Сделайте ее еще ниже – и она перейдет в ту часть радиочастотного диапазона, которую довольно сложно обнаружить. К тому же, уходя ниже 1 ГГц, мы попадаем в радиодиапазоны, используемые для телевидения и радио, а также для связи.

Эта искусственная радиочастотная интерференция затмевает космические сигналы, делая астрономические наблюдения практически невозможными на частотах, которые совпадают с этими диапазонами. Радиотелескопы, которые работают на частотах, близких к тем, что используются для связи, должны быть размещены в местах, удаленных от наземных радиоисточников (например, в отдаленной части Западной Австралии), что позволит минимизировать искусственную радиочастотную интерференцию. Ионосфера Земли также влияет на прохождение радиочастот ниже 1 ГГц – аналогично тому, как оптический свет изгибается и преломляется стаканом воды, – и скорректировать это влияние сложно. Существует множество других технических причин, делающих низкочастотную радиоастрономию столь непростой задачей, но сегодня многие из этих проблем решаются созданием больших антенных решеток в сочетании с мощнейшими компьютерами, способными справиться с безумно сложным уровнем обработки сигналов, что необходимо для дистилляции астрономических сигналов в радиочасти спектра.

Одной из таких антенных систем является LOFAR (от англ. LOw Frequency ARray – Низкочастотная [антенная] решетка) – радиоинтерферометр, который разрабатывается нидерландским институтом ASTRON (от нидерл. ASTRonomisch Onderzoek in Nederland – Астрономические исследования в Нидерландах) и будет использоваться радиообсерваторией ASTRON. Этот проект предполагает создание интерферометрической решетки из радиотелескопов, распределенной по Европе. LOFAR – комплекс, состоящий из тысяч достаточно недорошлстоящих антенн, расположенных в100-километровом регионе Нидерландов, а также на станциях в разных частях Европы, удаленных от Нидерландов на расстояние до 1500 км: в Швеции, Германии, Великобритании и Франции. Этот комплекс предназначен для обнаружения радиочастот от 10 до 250 МГц и подходит для исследования того, чему дали имя «низкочастотная Вселенная». Что отличает LOFAR от традиционных телескопов? Его антенны всенаправленны: они могут регистрировать все небо одновременно. Затем, чтобы наблюдать определенную точку на небе, собираются сигналы от всех антенн и передаются суперкомпьютеру для определения апертуры. Несмотря на то, что для приема сигналов по-прежнему используются антенны, LOFAR, по сути, – цифровой телескоп, создание которого стало возможно только благодаря современным вычислениям, мощность и изощренность (и доступность) которых со временем будут только расти.

Изображение нейтрального атомарного газообразного водорода (HI) на карте галактики NGC 628 получено в ходе серии наблюдений проекта «Обзор ближайшей галактики» (англ. The HI Nearby Galaxy Survey, THINGS). Этот газ испускает радиоволны на специфической частоте 1,4 ГГц: настроив на нее радиотелескопы, можно составить карту «обитания» нейтрального атомарного газа в галактиках. Этот снимок объединяет ультрафиолетовое и инфракрасное излучение (розовое и фиолетовое соответственно) с радиоизображением, фиксирующим газовые области HI (синее). Наблюдения атомарного газа расширяют спиральную структуру далеко за пределы звездного диска, поэтому они могут использоваться для исследования окраин богатых газом галактик и поиска материала, который может стать топливом для звездообразования, при условии, что он способен коллапсировать в плотные облака, которые подойдут для образования молекулярного водорода (то есть два атома водорода должны быть связаны друг с другом) и последующего формирования звезды

Это изображение спиральной галактики M83 объединяет в себе наблюдения УФ-излучения молодых массивных звезд (сине-розовая спираль), выполненные орбитальным телескопом GALEX, и радионаблюдения излучения нейтрального газообразного водорода (красные области). Обратите внимание, что нейтральный водород простирается далеко за пределы главной звездной структуры и частично прослеживается скоплениями голубых звезд – сигнатурами звездообразования в расширившихся газовых рукавах диска.Нейтральный атомарный водород является строительным материалом галактик и может быть использован для отслеживания внешней галактической среды, где мало звезд

Как и ALMA, LOFAR – фантастически мощный инновационный телескоп, который поможет совершить революцию в астрономии XXI века. Одна из его задач – обнаружение 21-сантиметровой линии нейтрального атомарного водорода в области той эпохи, когда сформировались первые звезды и галактики и где высокое излучение было смещено в красную зону на очень низкие частоты, – это последний рубеж исследований эволюции галактик. Также LOFAR имеет и более практичное применение: он используется в качестве сенсорной сети, которая необходима для геофизических и сельскохозяйственных исследований.

Галактическая динамика: танцы под музыку гравитации

Мы много говорили о составе галактик и о том, как мы можем измерить необходимые компоненты, используя различные инструменты и методы наблюдения. Но есть еще одно важное наблюдаемое свойство галактик – динамика. Галактики не статичны: они движутся относительно друг друга с космическим расширением, а также с локальным гравитационным притяжением. Есть также и движения внутри отдельных галактик, которые мы можем измерить. Для галактик, таких как Млечный Путь, возможно, наиболее важным движением является вращение диска. Наша Солнечная система расположена примерно в двух третях пути от галактического центра и вращается вокруг него со скоростью более 200 км/с. При таком темпе требуется почти 250 млн лет, чтобы пройти по полной галактической орбите. Орбитальная скорость движения Солнечной системы вокруг центра контролируется некоторой относительно простой физикой: фактически это те же законы, которые управляют движением планет вокруг Солнца. Проще говоря, скорость вращения зависит от того, сколько гравитирующей массы существует между нами и центром нашей орбиты. Другими словами, нам нужно установить, сколько массы находится в Млечном Пути от центра балджа до радиуса Солнца.

Если рассматривать Солнечную систему как изолированную структуру, то она будет довольно проста, потому что бо́льшая часть всей массы системы находится в одной точке – это Солнце. Форма орбит планет в основном определяется гравитационным натяжением Солнца и, уже в меньшей степени, их взаимным притяжением. Внутренние планеты вращаются вокруг

Солнца быстрее, чем внешние. Распределение массы в галактике немного сложнее, но принцип тот же: скорость вращения диска на разных расстояниях от центра связана с количеством промежуточной гравитирующей массы в центре диска.

Представьте себе маленькую сферу с центром в балдже нашей Галактики. Теперь вообразите, что мы можем сложить всю содержащуюся в ней массу, а затем посмотреть, как она увеличивается по мере того, как мы увеличиваем сферу, постепенно охватывая все бо́льшую и бо́льшую часть Галактики, – это становится похоже на некий аудит галактической массы. На практике же следует помнить, что, наблюдая за галактиками, мы можем добавить только ту массу, которую мы действительно видим в форме излучаемого света. На первый взгляд кажется, что в центре Галактики много массы – особенно в этом большом, ярком и плотном звездном балдже. По мере расширения нашей воображаемой сферы, количество содержащейся в ней массы быстро увеличивается, и параллельно мы добавляем еще немного, захватывая спиральный диск. Наблюдаемая масса перестает расти и выравнивается, как только наша сфера выходит за пределы диска, где у нас кончаются звезды, пыль и газ – мы достигли общей наблюдаемой массы Галактики. Этот подход можно применить и к другим галактикам (на самом деле в отношении других галактик это сделать даже проще, потому что мы можем видеть их целиком, в то время как с Млечным Путем всегда будет сохраняться проблема точки наблюдения). Мы только что суммировали массу в Галактике как функцию радиуса от центра. Но если скорость вращения диска на разных радиусах зависит от общей массы, заключенной в оболочку, то более элегантным методом измерения общей массы спиральной галактики будет использование ее кривой вращения – изменения орбитальной скорости диска по мере того, как мы движемся от его центра.

Действующая здесь физика стара и знакома любому, кто изучает классическую физику. Здесь работают законы небесной механики, впервые выведенные Иоганном Кеплером в XVII веке. В частности, речь идет о третьем законе Кеплера, который гласит, что квадрат периода орбитального тела пропорционален кубу большой полуоси его орбиты и обратно пропорционален массе притягивающего тела. Другими словами, чем больше радиус орбиты тела с фиксированной массой, тем медленнее его скорость, тогда как увеличение массы в системе увеличивает и скорость орбиты. Законы Кеплера были доработаны и уточнены Исааком Ньютоном, который почти точно описал орбитальное движение через закон гравитации обратных квадратов. Его описание было не совсем верным, но в то время это было трудно увидеть в ходе наблюдений: общая теория относительности Эйнштейна прояснила ситуацию лишь в начале XX века, а именно на ней основана наша современная теория гравитации.

Чтобы измерить скорость вращения, мы можем обратиться к тому же эффекту, который вызывает красное смещение: различия в скорости светоизлучающего источника относительно некоторого наблюдателя (например, нас) приводят к небольшим изменениям в наблюдаемой длине волны или частоте испускаемого света. Таким образом, если диск вращается с разными скоростями, мы можем отслеживать это, измеряя наблюдаемую частоту некоторого известного излучения. Природа предоставила нам удобный инструмент для таких измерений: мы можем использовать 21-сантиметровое радиоизлучение от нейтрального атомарного газообразного водорода. В галактиках, подобных нашей, содержится много атомарного водорода, в том числе далеко за пределами диска, благодаря чему с его помощью можно измерять вращение прямо на галактических задворках. Зная изменения частоты от эталонных показателей 21-сантиметрового излучения, можно рассчитать и изменения скорости, поэтому если мы измерим относительные скорости облаков на всем протяжении Млечного Пути, то сможем измерить общее вращение Галактики. То же самое можно сделать и с оптическим светом от звезд или ионизированного газа: любая функция излучения, в которой мы можем точно измерить сдвиг частоты, подходит для такого отображения скорости, просто область HI здесь наиболее выгодна именно как крупномасштабный индикатор.

Можно, конечно, полагать, что кривые вращения галактик не готовят нам никаких сюрпризов, поскольку все это выглядит довольно простым. На самом же деле по результатам их правильного измерения, были сделаны крайне серьезные открытия. Астрономы ожидали, что кривые вращения дисковых галактик будут соотноситься с предсказанием Кеплера, предполагающим аудит видимой материи: масса, заданная кривой вращения, должна совпадать с массой, которую вы получаете, когда складываете все звезды, газ и т. д. Но данные показали нечто неожиданное. Если масса в галактике распределена так же, как и видимая материя, то можно ожидать, что орбитальная скорость диска быстро возрастет от центра к пику, а затем упадет, когда мы достигнем внешних краев диска. Тем не менее наблюдаемые скорости вращения дисковых галактик не уменьшаются с увеличением радиуса: удаляясь от центра, они сохраняют довольно постоянную скорость.

Это было довольно странно: ясно, что теория не соответствовала наблюдениям. К счастью, решение нашлось – ну, или как минимум его гипотеза. Одной из причин возникновения такой плоской кривой вращения является включение некоторого дополнительного компонента в галактиках, который распространяется по всей галактической среде таким образом, что плотность массы у внешних частей диска, где расположение звезд более разрежено, остается достаточно однородной. Плоские кривые галактикоротации – одни из ключевых наблюдаемых доказательств существования темной материи. Это исследование было впервые выполнено американским астрономом Верой Рубин в конце 1970-х годов. Отличная наблюдательная работа Рубин, в результате которой были получены кривые вращения по прецизионным спектроскопическим измерениям спиральных галактик, стала первым трудом, доказавшим, что в галактиках, подобных Млечному Пути, на самом деле преобладает темная материя, а не «нормальная», или барионная (имеется в виду материал, состоящий из барионов – протонов, нейтронов и электронов). На самом деле загадочный астроном Фриц Цвикки уже в 1930-х годах предположил существование темной материи, что объясняло движения галактик в массивных скоплениях. Однако Цвикки был противоречивым и странным персонажем, и бо́льшая часть астрономического сообщества проигнорировала его гипотезу. Но по мере роста данных о доминирующем компоненте темной материи, полученных в ходе наблюдений, наша картина галактик изменилась.

Темную материю окружают тайны и загадки, но только потому, что мы не до конца ее понимаем. Мы можем видеть ее явные проявления в таких показателях, как кривая вращения, но мы так и не обнаружили это недостающее вещество напрямую. Также нет убедительных доказательств того, что темная материя взаимодействует с «нормальной» каким-либо иным образом, кроме гравитационного влияния. Астрономы не хотят, чтобы материя оставалась темной: мы отчаянно желаем знать, что же это такое, но до тех пор, пока мы не обнаружим ее непосредственно (чего и пытаются добиться эксперименты), темная материя так и останется лишь теоретическим компонентом нашей модели работы Вселенной, хотя, надо признать, вполне удачным. Нынешняя модель Вселенной, которая включает темную материю, очень хорошо объясняет широкий спектр имеющихся феноменов, и поэтому мы совершенно уверены, что темная материя существует. Просто пока она неуловима.

Итак, освежим впечатления: Вселенная содержит не только «нормальную», но и темную материю. В существующей модели Вселенной масса темной материи примерно в пять раз больше, чем «нормальной», которая образует газ, звезды и планеты.

Мы склонны описывать барионное вещество в галактиках как распределенное в гало темной материи. У спиралей, таких как Млечный Путь, светящийся диск подобен цветному центру старомодного стеклянного шара. Общая масса Млечного Пути, включая гало темной материи, примерно в 100 млрд раз превышает массу Солнца, но самые большие гало темной материи во Вселенной – те, что содержат скопления галактик, – могут иметь общую массу в 1000 раз больше. Позже мы рассмотрим наши представления о том, как именно темная и «нормальная» материи сгущаются, образуя галактики, но прежде чем мы продолжим, следует изучить другие типы галактик.

Типы галактик и космическая паутина

Млечный Путь – спиральная галактика, но если посмотреть на других его «коллег» такого типа, можно понять, что на самом деле существует множество видов «спиральности». Например, могут разниться плотность примыкания рукава к ядру галактики или размер и яркость балджа. Галактики можно разложить по типам Sa, Sb, Sc и Sd, где S – это спираль, a, b, c и d – степени спиральности и балджности, а диапазон простирается от ярких плотных рукавов и большого балджа (Sa) до плохо очерченных, комковатых рукавов и едва намеченного балджа (Sd).

Приблизительно 60–70 % спиральных галактик отличает еще одна интересная морфологическая особенность – звездная перемычка, бар, который выходит из балджа и, как спица, соединяет внутренние края спиральных рукавов. Подобно спиральным галактикам без баров, галактики с перемычками также имеют свою классификацию (SBa, SBb и т. д.) и довольно распространены: считается, что и у самого Млечного Пути есть бар. Перемычка формируется в результате динамической нестабильности и, как считается, возмущений плотности в диске. Важная особенность бара – его роль в транспортировке звезд и газа к балджу, так как он потенциально способствует образованию звезд и росту черных дыр в центре галактики и вносит свой вклад в общую эволюцию системы.

Во Вселенной есть галактики намного меньше Млечного Пути и без какой-либо определенной формы звездного распределения – это аморфные, нерегулярные системы. Мы называем такие галактики карликовыми. В них часто рождаются новые звезды с относительно низкими показателями, но их сравнительно немного, так что светимость карликов, как правило, очень невысока, и поэтому их трудно обнаружить на больших расстояниях. Карлики обычно связаны с более крупной галактикой и гравитационно примыкают к ее окраинам. У Млечного Пути есть несколько спутников-карликов, самые известные (и самые большие) – Магеллановы Облака, которые легко можно увидеть из Южного полушария.

Тот факт, что большие галактики вроде Млечного Пути сопровождает свита из карликовых спутников и что Млечный Путь, в свою очередь, входит в состав Местной группы, является признаком иерархической организации материи во Вселенной: большая масштабная структура собрана из ряда более мелких. Общее распределение материи, которое мы видим, было изначально установлено в самой ранней точке истории Вселенной – вскоре после Большого взрыва – и с тех пор управляется гравитацией. Крупные исследования выявили колоссальные структуры распределения галактик – даже больше, чем скопления, – называемые «стенами» и «листами» (одна из самых известных – Великая стена Слоана, обнаруженная в ходе работы проекта SDSS. Обратная сторона состоит в том, что если большинство галактик скомпонованы в крупномасштабную нитевидную структуру, то в промежутках между этими нитями и листами возникают огромные пустоты – бездонные пропасти совершенно пустого пространства, войдов, протяженность которых составляет миллионы парсек.

В самых плотных точках этой космической паутины мы находим скопления галактик, например Девы. Эти скопления – места обитания наиболее массивных, или эллиптических (E), галактик, которые физически больше и в 100 раз массивнее нашей. Как следует из названия, эллиптические галактики представляют собой не плоские диски, а выпуклые звездные скопления. Представьте себе футбольный мяч, а затем сожмите его в мяч для регби: между этими крайностями будут расположены эллиптические галактики различной формы (те, что по своему виду ближе к футбольному мячу, часто называют сфероидами). Мы классифицируем эллиптические галактики по степени их сжатия (на профессиональном жаргоне они называются сплюснутыми сфероидами). Также они имеют еще одно ключевое отличие от спиральных: такие галактики больше не образуют новые звезды и содержат мало газа относительно массы звезд; мы называем их пассивными галактиками.

С морфологической точки зрения эллиптические галактики с их безликими и гладкими распределениями звезд довольно скучны. Иногда мы видим, что они содержат полосы густой межзвездной пыли, блокирующей свет, – это детрит звездообразования, остаток более ранней активной фазы жизни галактики. Они не только не образуют новые звезды, но и очень стары, что видно по цвету: в совокупности свет от всех их звезд находится в красной части видимого спектра – это признак того, что все молодые массивные звезды, которые могли образоваться в ходе последнего процесса звездообразования, давно угасли. Осталось только огромное количество звезд меньшей массы, развитие которых проходит по стандартной траектории звездной эволюции, и по мере течения этих процессов галактика приобретает ржавый оттенок старости. Когда мы оцениваем возраст эллиптических галактик или средний возраст их звезд, то обнаруживаем, что большинство звезд сформировались на очень раннем этапе истории Вселенной, примерно 10–12 млрд лет назад. Это намек на то, что в древности Вселенная была более активным местом с точки зрения роста галактик.

А как насчет динамики таких галактик? Как их можно сопоставить с Млечным Путем? Звезды в эллиптических галактиках не распределены на диске и не движутся вокруг ядра по красивым и упорядоченным круговым орбитам. Вместо этого они деловито снуют по радиальным орбитам, как миллионы комет вокруг яркого центра. Опять же, движения звезд гравитационно определяются общей массой системы – как и в случае кривых вращения спиральных галактик, мы можем использовать наблюдательные методы для измерения этих движений и, следовательно, для определения общей массы.

Эллиптические галактики пассивны, поэтому они обычно не имеют ярких линий эмиссии в своих спектрах, которые мы можем использовать для отслеживания доплеровских изменений частоты, вызванных объемным движением. А вот что у них действительно есть, так это множество линий поглощения – маленькие участки, тусклые линии, пересекающие сплошной световой поток звезд в наблюдаемом спектре, что происходит из-за присутствия тяжелых элементов, которые поглощают энергию определенных частот. В эллиптических галактиках много металлов благодаря высокоразвитой природе звездного населения. Как и эмиссионные, линии поглощения встречаются на очень точных частотах: если бы все звезды в галактике находились в покое относительно друг друга, то в совокупности спектр галактики показал бы серию очень узких линий поглощения, соответствующих каждому из элементов, присутствующих во всех звездах. Но звезды не находятся в покое: все они движутся по случайным орбитам, движимые гравитационной мощью галактики. Таким образом, вместо нахождения в одном месте спектра линии поглощения каждой звезды немного сдвинуты по частоте относительно среднего красного смещения всей системы. При измерении спектра мы можем достаточно легко идентифицировать каждую линию поглощения (например, магния), но ширина поглощения немного увеличится, так как мы получаем его не от одной звезды.

Это расширение – результат распределения относительных скоростей звезд, вносящих свой вклад в спектр. Если мы используем спектрограф с достаточным разрешением, то сможем измерить ширину линии поглощения (по частоте) и оценить скорость дисперсии. Поскольку ширина скорости напрямую связана с общим количеством массы в системе (опять же, это ньютоновская физика), мы получаем метод взвешивания эллиптических галактик (или, по сути, любой системы, в которой преобладает дисперсия). И это удивительно. Конечно, эта методика относительно проста для применения к соседним объектам, где спектры могут быть получены с очень высоким отношением «сигнал – шум», но в случае отдаленных галактик наша работа становится намного сложнее и значительно тяжелее, чем измерение линии эмиссии, потому что в этом случае мы ищем отсутствие света в определенной части спектра, а не яркий всплеск, выделяющийся поверх него.

Наконец, существует класс галактик, который морфологически находится между эллиптическими и спиральными элементами. Их называют линзовидными галактиками, или S0, и они также имеют тенденцию к проживанию в скоплениях, хотя их можно найти и в тех областях, которые мы называем «полем» – областями средней плотности расположения галактик вне кластеров. Как и у их спиральных собратьев, у S0 имеется несколько сплюснутый звездный диск, но нет спиральных рукавов (следовательно, класс S0 – спиральная галактика + нулевые рукава). Звезды в них распределены довольно равномерно. Линзовидные галактики, как правило, пассивны – как и эллиптические – и обладают звездным балджем в центре – как и спиральные, – но он намного больше, чем у спиральных, и доминирует над галактикой. Из-за гладкости распределения звезд и однородного цвета старого звездного населения очень трудно отличить S0, ориентированную лицевой стороной к нам, от эллиптической галактики, но когда линзовидная немного наклонена так, что ее диск кажется слегка заостренным, то разница становится очевидной. Классический пример – линзовидная галактика Веретено в созвездии Дракона, которую видно почти с ребра. У этой галактики есть поразительная полоса пыли – остатки звездной эволюции в плотном диске, узкая темная полоса, простирающаяся по всей галактике и блокирующая свет от звезд, расположенных за ней.

Эдвин Хаббл придумал схему классификации для эллиптических, спиральных и линзовидных галактик, основанную на их морфологическом типе (Sa, Sb, E и т. д.), которая построена на идее, что галактики преобразуются в различные типы в эволюционной последовательности. Теперь мы знаем, что это не совсем так, как это было первоначально сформулировано. Схема маркирует спиральные галактики в соответствии с их спиральностью, эллиптические классифицирует по их эллиптической природе и размещает всю конструкцию вдоль так называемой последовательности Хаббла. Эта последовательность начинается с эллиптических фигур, близких к сферической по форме (E0), и проходит через различные уровни эллиптической формы (от E1 до E7).

Затем мы подходим к несколько сомнительному классу S0, который морфологически лежит где-то между истинной эллиптической и спиральной галактиками. После класса S0 последовательность разветвляется. Одно направление содержит спиральные галактики Sa, Sb и далее, другое – спиральные галактики с перемычкой SBa, SBb и т. д. Такое разветвление – причина, почему последовательность также называют камертоном, или вилкой, Хаббла. Он не отражает физической связи между этими типами, но тем не менее признан удобным средством классификации различных типов галактик и продолжает использоваться и сегодня. Если один астроном представляет какую-то галактику и говорит:

«Вот галактика Sab, которая очень интересна по таким-то причинам», остальные понимают, о каком типе идет речь. Вы заметите, что карликовые галактики не вписываются в эту схему, хотя иногда их привязывают к концу спиральной последовательности как иррегулярные, объединяя две ветви камертона. Последовательность Хаббла в основном содержит все типы развитых массивных галактик, но не описывает морфологически измененные галактики, как те, что мы обнаруживаем, например, во взаимодействующих и сливающихся системах, где гравитационные силы искажают правильную структуру. Как мы узнаем позже, взаимодействующие системы очень важны для понимания истории эволюции некоторых галактик.

Сердца галактик

Балдж галактики (в нашем случае – центр диска) самая плотная галактическая среда. Балдж Млечного Пути настолько переполнен звездами и пылью, что мы не сможем увидеть его центр, если попытаемся рассмотреть его с помощью оптического света. Только инфракрасные лучи могут «пройти» часть затемняющей пыли, потому что такой свет меньше поглощается.

Ориентация галактик на небе случайна (хотя некоторые гравитационные эффекты могут служить для корреляции ориентации галактик в некоторых средах), поэтому мы видим лицевую сторону галактик, лежащих по отношению к нам ребром. Это наблюдение хорошо иллюстрирует снимок Триплета Льва – группы спиральных галактик в той части неба, которая содержит одноименное созвездие. Многие астрономические объекты названы в честь созвездий, в которых они могут быть найдены, например галактика Андромеды. Несмотря на то что сами галактики расположены намного дальше, чем составляющие астеризм звезды, легко идентифицируемые структуры созвездий дают нам удобный способ указывать местоположение того или иного объекта на небе

Инфракрасное «зрение» позволяет нам увидеть множество звезд: глубокие изображения центра Галактики открывают почти невероятное количество звезд, скопившихся в самом сердце Млечного Пути. В некотором смысле балдж похож на уменьшенную версию эллиптической галактики, содержащей старые звезды на случайных орбитах. Однако балдж жив: в центральных областях спиральных балджей галактик, подобных нашей, еще могут идти активные процессы звездообразования. Общая черта внутренней «ядерной» области спиральных галактик – небольшой плотный диск из газа и пыли, который может быстро образовывать звезды. В некоторых галактиках скорость звездообразования в ядре чрезвычайно высока из-за огромной плотности накопившегося там газа, иногда смещающегося к центру галактики при помощи бара, который, как мы видели, часто присутствует в спиралях. Хотя мы и верим, что Млечный Путь – это спиральная галактика с перемычкой, он не слишком экстремален с точки зрения активности своего ядра. Но наша Галактика все еще остается интересной астрофизической средой.

На этом глубоком изображении спиральной галактики NGC 4911 в скоплении галактик Кома (Волосы Вероники) видно слабое призрачное излучение звезд на дальних окраинах спиральных рукавов вокруг яркой центральной спирали, окрашенной в синий и розовый цвета с излучением звезды молодых звезд и туманного света областей HII, исчерченных полосами пыли. Протяженные внешние рукава искажены и гравитационно нарушены влиянием соседней галактики. В переполненной среде скопления галактик гравитационные взаимодействия между ними могут быть обычным явлением: они морфологически изменяют дисковые галактики, такие как NGC 4911, а также модифицируют историю их звездообразования путем возмущения или, в некоторых случаях, удаления их газовых резервуаров, содержащих строительный материал для будущих поколений звезд

Пример иррегулярной карликовой галактики – NGC 4214, находящаяся на этапе звездного взрыва. Карлики – это галактики с самой низкой массой во Вселенной, но часто они образуют множество новых звезд и обычно не имеют определенной формы. На этом изображении в галактике преобладают свет молодых голубых звезд и свечение ионизированного водорода вокруг областей звездообразования. Благодаря звездным ветрам и радиационному давлению новые звездные скопления фактически сдувают газовые облака, из которых они образовались. Это можно увидеть здесь: яркое звездное скопление внизу слева образует полость, или пузырь, окруженный ионизированным газом области HII

В центре каждой галактики со значительным звездным балджем всегда есть компактная сверхмассивная черная дыра. В предыдущей главе мы узнали, что в квазарах и некоторых других галактиках такая черная дыра активно растет за счет аккреции вещества, что приводит к выделению огромного количества энергии, которая может доминировать в выработке энергии галактики. Однако в большинстве галактик сверхмассивная черная дыра пребывает в состоянии сна и покоя. Эллиптические галактики, несмотря на то что не образуют новых звезд, также могут содержать в своем центре активные черные дыры. Они приводятся в движение аккрецией вещества и способны излучать энергичные частицы (например, электроны) наружу со скоростями, близкими к скорости света. Когда эти быстро движущиеся частицы взаимодействуют с другими газовыми и магнитными полями в галактике, излучаются радиоволны. Иногда мы видим радиопоток – узкий мощный коллимированный (не расходящийся) луч, который может очень зрелищно вырываться из галактики во внегалактическое пространство.

NGC 1316 – это загрязненная пылью эллиптическая галактика. Она входит в состав относительно близкого скопления галактик Печи. Считается, что пыль в этой галактике представляет собой измельченные остатки спиральных галактик, которые слились и сформировали эту систему

NGC 5011b и NGC 5011c – примеры большого разнообразия типов галактик. С одной стороны, у нас есть яркая линзовидная галактика с краями, пылающая светом миллиардов звезд и четко демонстрирующая выступающий диск и структуру балджа. С другой, мы видим относительно свободную сфероидальную коллекцию голубоватых звезд с довольно низким уровнем поверхностной яркости. Эти две галактики, находясь на одном участке неба, разделены огромным расстоянием: карликовая галактика слева довольно близка к нам, тогда как вторая находится в скоплении галактик Центавра на расстоянии около 50 млн пк

Мой любимый пример – галактика Центавр A, знакомая вам по однометровой модели куба Местной группы. Если посмотреть на ее изображение, полученное с помощью оптического света, то галактика выглядит вполне стандартной эллиптической (за исключением довольно внушительной полосы пыли). Но стоит сделать снимок с помощью радиотелескопа – и получится совершенно другая картина: вы не увидите звезд (они не являются сильными радиоизлучателями), зато сможете наблюдать две струи, исходящие из ядра и вырывающиеся из галактики, расцветающие в гигантские лепестки радиоизлучения при попадании в межгалактическое пространство, для которого характерно низкое давление. Рентгеновские наблюдения, проводимые обсерваторией «Чандра», также показывают высокоэнергетическое излучение, связанное со струями, в особенности горячий газ, который «шокирован» до высоких температур при выбросе струй в межзвездную и окологалактическую среды. Не имея возможности увидеть галактику Центавр A на других длинах волн света, особенно на радиоволнах, мы были бы лишены многих знаний в области замечательной астрофизики, связанной с функционированием центральной сверхмассивной черной дыры.

На снимке – иррегулярная карликовая галактика Барнард в Местной группе Млечного Пути. Это наш галактический сосед. Карликовые галактики гораздо менее массивны, чем Млечный Путь, и часто представляют собой аморфные скопления звезд и газа, иногда примыкающие к более массивным системам. На этом изображении можно увидеть несколько красных розеток светящегося водорода – сигнатуры активных областей звездообразования в галактике

Это звездное пятно – карликовая галактика в созвездии Печи, спутник Млечного Пути с малой массой. Хотя многие карликовые галактики отличаются неправильной формой, эта классифицируется как сфероидальный карлик, так как морфологически звезды в нем довольно круглые и правильные

Обследования больших участков неба на радиочастотах довольно распространены и представляют совершенно иной взгляд на Вселенную. Галактики, которые испускают струи, такие как Центавр А – совсем не редкость (просто из-за близкого расположения получить ее детальные снимки очень легко), так что по радиоизлучению можно обнаружить и многие другие. Помимо систем с активными ядрами, галактики, которые активно формируют звезды, также являются мощным источником излучения радиоволн. Причина радиоизлучения – ускорение частиц и их взаимодействие с магнитными полями, с которыми связаны все галактики. В этих звездообразующих галактиках ускорение возникает не от черной дыры, а от взрыва сверхновых, мощно отталкивающих электроны и разгоняющих их через межзвездную среду вплоть до значительной доли скорости света. Электроны из остатков сверхновых встречаются и в галактике, испускающей своего рода непрерывное излучение, которое называется синхротронным. Таким образом, обнаруживая радиоизлучающие галактики, мы видим активно растущие системы. Зачастую это выгодно для нас, потому что радиоизлучение не подвержено поглощению межзвездной пылью, в отличие от видимого света. Это позволяет найти популяцию активных, но затененных пылью галактик, заметить которые в ходе традиционного визуального наблюдения невозможно.

Некоторые сверхмассивные черные дыры в центрах галактик сейчас активны, другие – нет, но все они должны были как-то сформироваться, а значит, каждая из них должна была пройти через определенные фазы роста. Когда астрономы начали изучать свойства этих черных дыр и их связь с галактикой-хозяином, то выявили интересную корреляцию, приоткрывшую увлекательную часть истории формирования галактик. Составляя диаграмму массы центральной черной дыры, которая может быть измерена спектроскопически с помощью другого метода распределения скорости по отношению к массе звезд в окружающем балдже, астрономы выявили очевидную зависимость: чем больше балдж, тем больше черная дыра.

Радионаблюдения могут выявить замечательные вещи. На этом комбинированном изображении в радиоволнах (пурпурным) и оптическом свете радиогалактика Геркулес А раскрывается во всей своей красе. Центральная эллиптическая галактика содержит активную сверхмассивную черную дыру, которая питается за счет аккреции нового вещества – газа, пыли и звезд. Этот процесс порождает мощные струи радиоизлучения, вырывающиеся из галактики во внегалактическое пространство. Подобно струе дыма, радиоизлучение в итоге развеивается на большом галактическом расстоянии. Подобные радиоисточники относятся к самым мощным галактикам во Вселенной и играют важную роль в истории эволюции галактик, поскольку энергия, которую они накапливают в галактике-хозяине и локальной галактической среде, может модифицировать историю образования звезд в галактиках в ходе процесса обратной связи

В какой-то степени это неудивительно: как часто говорят астрономы, «большие вещи остаются большими». Но удивительна здесь именно разница в физических масштабах, участвующих в процессе. Сверхмассивная черная дыра и сфера ее влияния в миллионы раз меньше размеров окружающего балджа – как муха меньше собора, в который она залетела. Проще говоря, как черная дыра в центре балджа «знает», что она должна быть большой, если балдж большой? Если размер центральной черной дыры и размер балджа как-то физически связаны, то какой процесс может контролировать рост этих двух элементов так, чтобы они составляли тандем? Если такой процесс существует, то это основополагающий закон эволюции галактик.

Ведущая теория говорит о том, что рост центральной черной дыры и звезд в балдже происходит примерно в одно время и что он связан механизмом, называемым обратной связью. Как и звездам, центральным черным дырам требуется материал, из которого они могут образовываться, то есть газ. Под действием силы тяжести он коллапсирует, образуя галактики и компактные объекты (газомолекулярные облака, звезды и др.), но гравитация – не единственная сила, действующая в процессе роста галактики. Черная дыра аккрецирует вещество, что может привести к выбросу энергии в виде интенсивного электромагнитного излучения и механических струй, которые пробиваются сквозь галактику. Эта энергия не просто исчезает во внегалактическом пространстве – она взаимодействует с тем, что встречает на своем пути. Поскольку центральные черные дыры погребены глубоко в галактике, набирается достаточно материала для взаимодействия поля ядерной радиации и создающихся струй и потоков.

Существует два основных эффекта, возникающих по мере того, как центральная черная дыра сбрасывает энергию в окружающую среду, – это нагрев межзвездного газа за счет прохождения ударных волн и ионизирующего излучения и фактическое удаление газа и пыли, когда они уносятся потоками, исходящими из растущей черной дыры (просто посмотрите на эти струи в галактике Центавр А: как они могут не влиять на межзвездную среду, проходя сквозь галактику?). Но каковы последствия? Газ в галактике, который был нагрет за счет инжекции энергии из растущей черной дыры, не способен образовывать новые звезды, потому что не может коллапсировать и формировать плотные протозвездные ядра, необходимые для начала синтеза (для этого нужно потерять эту дополнительную энергию). Или, что еще более драматично, газ полностью удаляется из местной окружающей среды. Итак, рост черной дыры оказывает влияние на рост окружающих звезд и тем самым регулирует рост балджа.

На снимке представлено изображение галактики в центре скопления Персея в рентгеновском излучении. Подобные раковине структуры – признак обратной связи от центральной галактики, вызванной истечениями из центральной сверхмассивной черной дыры, которая активно аккрецирует вещество. Поток отталкивает горячий газ, окружающий галактику и выявляемый в рентгеновском излучении, надувая «пузырьки» и «оболочки», которые распространяются наружу. Этот вид обратной связи регулирует рост массивных галактик, потому что он предотвращает гравитационную аккрецию слишком большого количества газа на центральную галактику, ограничивая тем самым ее звездную массу

По той же причине черная дыра не может поддерживать этот натиск бесконечно: в конце концов она удалит материал, который необходим для роста. Как только черная дыра перестает наращивать свою массу, энергия обратной связи отключается.

Однако через некоторое время окружающий газ начнет охлаждаться и снова падать внутрь (помните: гравитация терпелива и всегда готова к работе). Возможная масса черной дыры и балджа связана с общим резервуаром доступного материала, но взаимодействие роста черной дыры и образования новых звезд, окружающих ее, является формой регулирования, которая, как считается, приводит к наблюдаемой корреляции размеров центральной черной дыры и звездной массы балджа.

Острова в море газа

Механизм обратной связи является очень важной частью нашей нынешней модели роста галактик. Цель компьютерного моделирования, построенного на схемах формирования структуры, – «выращивание» галактик в игрушечных «вселенных». Если в модели не заложен принцип обратной связи, оно приводит к образованию слишком большого количества очень массивных галактик, которых мы не видим в реальности, – то есть когда ничто не противодействует гравитации, галактики становятся слишком большими. Обратная связь обеспечивает естественную модуляцию роста галактики, но это очень сложный процесс, поскольку он включает в себя множество различных астрофизических аспектов, многие из которых все еще довольно плохо изучены. Сегодня много усилий прилагается на то, чтобы пронаблюдать процесс обратной связи в действии. Важны не только черные дыры: любая энергия, которая сбрасывается в межзвездную среду, – будь то детонация сверхновых или звездных ветров и излучение самих звезд – играет роль в процессе обратной связи.

Механизмы обратной связи не просто влияют на скорость роста галактики: они также значимы для распределения и смешивания металлов, образующихся в звездах вокруг межзвездной среды. В некоторых случаях это рассеивание может даже спровоцировать выброс металлов из галактики во внегалактическое пространство. Один из способов увидеть данный процесс в действии – определить далекую галактику, которая находится на небе рядом с еще более далеким квазаром, но не полностью выровнена относительно него. Когда мы берем спектр фонового квазара и исследуем его, то можем найти линии поглощения от металлов из внегалактического пространства, связанные с галактикой переднего плана. Общим элементом является ионизированный магний, обладающий линиями поглощения, которые обнаруживаются в видимой части спектра и поэтому доступны для наблюдения.

Что здесь происходит? Яркий свет далекого квазара, который мы используем в качестве удобной подсветки, прошел через какой-то газ, испускаемый галактикой на переднем плане. Часть света квазара была поглощена, оставив характерный отпечаток на его спектре. Этот пример – прекрасная иллюстрация того, что пространство между галактиками за звездами не пустое, а заполнено, помимо прочего, продуктами звездной эволюции, вытесненными галактическими ветрами. Некоторое количество этой материи может позже упасть обратно в галактику, обогащая диск, так как она заново аккрецируется гравитационным притяжением диска. Другой газ может никогда не вернуться в галактику, если он выбрасывается достаточно быстро и его не захватывает гравитационное притяжение – подобно ракете, достигающей второй космической скорости, чтобы вырваться из гравитации Земли. Я надеюсь, что все это указывает на точку зрения, к которой вы придете, когда дочитаете эту книгу: история эволюции галактики – это история течения газа как внутри галактик, так и во внегалактическом пространстве.

Мы знаем, что в больших масштабах галактики объединены в сеть нитей, групп и скоплений, образующих космическую структуру. Помимо обогащенного газа, окружающего сами галактики (который сначала обрабатывается звездами, а затем выбрасывается в космос), космическая паутина также содержит много газа, который образовался в ходе Большого взрыва, но никогда не формировался и не обрабатывался в галактиках. Температура и плотность этого межгалактического газа варьируются, но он, как правило, довольно горячий по сравнению с «холодным», остывшим в галактических дисках газом. Так что в каком-то смысле галактики – это не островки света, а просто яркие всплески газового океана, как белые барашки на волнах в неспокойном море. В некоторых областях эта межгалактическая среда очевидна, например в скоплениях галактик. Кластеры, представляющие собой гигантские гало темной материи, заполненные галактиками, которые образуют узлы космической сети, погружены в чрезвычайно горячий газ – плазму. Эта плазма возникла, когда первичный межгалактический газ перетекал в гало темной материи и нагревался до миллионов градусов. Точную физику этого нагрева довольно сложно объяснить, но если упростить, то энергия газа в среде кластера увеличивается в соответствии с общим гравитационным потенциалом кластера, определяемым общей массой. Как галактики внутри скоплений разгоняются до высоких скоростей, точно так же ускоряется и газ.

Этот внутрикластерный газ настолько горяч, что испускает рентгеновское излучение. Телескопы, чувствительные к рентгеновским лучам, такие как XMM-Newton и «Чандра», могут обнаруживать это излучение и видят кластеры не как плотные скопления галактик, а как большие яркие пятна рентгеновского излучения на небе. Горячий газ, заполняющий кластер, оказывает довольно существенное влияние на галактики внутри него. Один из самых его печальных эффектов называется «снятие давления поршня» – своего рода галактический эквивалент задувания свечи.

Представьте себе галактику, похожую на Млечный Путь, несущуюся в плотное скопление, которое разгоняет галактику до сотен или даже тысяч километров в секунду. Но диск не пересекает пустое пространство: он прорывается сквозь плотную, горячую среду – атмосферу кластера. Это оказывает давление на галактический диск, словно поршень уплотняя газ и проталкивая его внутрь. Если давление слишком велико, то слабо связанный с диском газ вырывается, отставая от входящей галактики, как хвост кометы. Постепенно, по мере увеличения давления «поршня» ближе к ядру скопления, все больше и больше газа удаляется из незадачливой галактики, слетая, как чешуя луковицы. Без холодного газа в диске больше не может быть звездообразования, так что такая зачистка под давлением «поршня» может фактически остановить образование звезд в богатых газом галактиках, которые входят в скопления, втягивая их за счет гравитации в агрессивные среды.

Это изображение одного из самых массивных скоплений галактик, обнаруженных в ранней Вселенной (время прохождения света от этого объекта до Земли составляет около 7 млрд лет; для сравнения – Земля и Солнечная система еще не сформировались, когда свет, который мы видим сейчас, покинул этот кластер). Скопление называется Эль-Гордо, или «Большое». Синяя дымка показывает испускание рентгеновских лучей, которые исходят от очень горячего газа, заполняющего внутреннюю среду таких кластеров. Внутрикластерная среда образуется в процессе притяжения первичного и межгалактического газов к общему гравитационному потенциалу огромного гало темной материи, присутствующего здесь. Когда газ устремляется к потенциалу, как шар для боулинга, выпущенный с вершины холма, он нагревается до десятков миллионов градусов – этого достаточно, чтобы испускать рентгеновские лучи, и слишком много, чтобы коллапсировать в галактики. Эль-Гордо – на самом деле два кластера, находящиеся в процессе слияния. Подобно тому, как объединяются две галактики, могут сливаться и объединяться даже массивные структуры вроде скоплений, притягиваемых друг к другу силой гравитации. Один из ключевых аспектов нашей картины роста галактик и структур, в которых они обитают, – идея иерархического роста, когда крупные объекты могут расти за счет вливания в них более мелких

На снимке – кластер Abell 2744 (из Каталога скоплений галактик Эйбелла), также известный как скопление Пандоры. Здесь изображено рентгеновское излучение горячего газа между галактиками (фиолетовое) и распределение темной материи (синее), обнаруженные в результате проведения анализа гравитационного линзирования. Огромная масса скопления, бо́льшую часть которого составляет темная материя, искажает изображения галактик позади него. Это искажение можно использовать для картирования темной материи

Такая зачистка – не единственная сила, действующая в процессе звездообразования скоплений галактик. Горячая атмосфера скоплений также затрудняет коллапс любого нового межгалактического газа на галактику: они бедны газом, и в итоге формирование звезд здесь прекращается, поскольку внутренние резервуары галактик без пополнения истощаются. Судьба кластерной галактики, как правило, – превращение в мертвую пассивную систему, которая приобретает красный оттенок, подобающий старому звездному населению. Поэтому когда мы смотрим на галактики в центрах скоплений, мы находим то, что называется «красной последовательностью»: у галактик разные диапазоны звездных масс, но все очень похожего красного цвета, что указывает на зрелую, пассивно развивающуюся звездную популяцию. Эти галактики просидят в кластере целую вечность, болтаясь и плещась внутри потенциала скопления, но в остальном ведя жизнь без происшествий. У большинства из них захватывающая, если можно так выразиться, фаза эволюции уже прошла.

Это изображение скопления Abell S0740 четко показывает несколько типов галактик. Здесь преобладает большая яркая эллиптическая галактика, похожая на гигантский звездный шар. Рядом с эллиптической видны спиральные и линзовидные галактики, а также многие другие на заднем плане. Эллиптическая галактика совершенно бесформенна по сравнению со спиралями: она отличается очень ровным звездным распределением, полос пыли не видно, а все звезды – одинакового оттенка. Так происходит потому, что эллиптические галактики, как правило, мертвы, ведь при небольшом количестве оставшегося газа в них больше не могут зарождаться новые звезды. Равномерный красный цвет последних указывает на старое звездное население: бо́льшая часть эволюции этой галактики в прошлом, а слияния и взаимодействия, вероятно, были важны для ее формирования. Слияния галактик могут разрушать диски с вращательной поддержкой, посылать звезды на случайные орбиты и приводить к более выпуклой морфологии с поддержкой давления

На снимке – самое сердце богатого скопления галактик, где преобладают множество красно-желтых эллиптических и линзовидных галактик. Полоса света рядом с самой большой эллиптической галактикой в правой части этого изображения представляет собой более отдаленную галактику вдоль той же линии обзора, свет которой должен был пройти через это скопление на пути к нам. В ходе этого процесса искривление пространства-времени, вызванное большой массой скопления галактик (как звездного вещества, которое вы видите на этом изображении, так и внутрикластерного газа вокруг и «гало» темной материи, в которой находятся эти галактики), исказило и увеличило свет этой фоновой галактики: он был гравитационно линзирован. Вверху слева мы видим галактику, которая кажется потревоженной. Синие пятна и потоки исходят от нее, как кометы. Это процесс удаления из галактики газа в результате давления агрессивных сред извне в действии. Когда галактика проходит через такое богатое скопление, то сталкивается с горячей газовой атмосферой, или плазмой. Эта атмосфера не видна на изображении, потому что она не излучает видимый свет; проще всего ее увидеть с помощью рентгеновских лучей. Тем не менее влияние атмосферы на галактику видно: как и сильный ветер, который может своим порывом вырвать из рук зонт, плазма оказывает давление на диск этой галактики, удаляя газ. Возмущение может привести к коллапсу плотных участков газа и образованию звезд, о чем свидетельствуют синие цвета потоков. Обратите внимание, что эллиптические галактики, как правило, обладают очень малым запасом газа или вообще его не имеют, поэтому последствия давления извне не так заметны. Так что здесь мы видим один из примеров влияния местной среды галактики на ее эволюцию

Изображения галактик, наблюдаемых в инфракрасных диапазонах с помощью космического телескопа NASA «Широкоугольный инфракрасный обзорный исследователь» (англ. Wide-field Infrared Survey Explorer, WISE), который картировал все небо на длинах волн 3, 4, 4, 6, 12 и 22 микрона

Чтобы понять, как происходит эволюция галактик, нужно заглянуть в прошлое. Галактики во Вселенной не всегда были в том виде, в каком мы их видим сегодня. Структуры, которые мы идентифицируем как галактики, – отдельные объекты темной материи, звезд, газа и пыли, связанные гравитацией, – должны были образовываться и развиваться с течением времени, превращаясь в сложные композиции из горячей, почти однородной смеси материи, существовавшей вскоре после начала Вселенной. Для образования галактик требовалось, чтобы горячая первичная смесь, которая содержала основные элементы – водород, гелий и меньшие количества легких элементов дейтерия и лития – охлаждалась и распадалась на плотные комки. Если бы не существовало никакого механизма для этого, то отдельные атомы водорода не могли бы конгломерироваться в облаках, которые затем не могли бы соединяться вместе и образовывать молекулярные облака, а те, в свою очередь, не могли бы образовывать звезды в результате ядерного синтеза. В общем, галактики не смогли бы сформироваться. Но галактики появились из того раннего водоворота. Во время путешествия от первичного состояния вскоре после Большого взрыва и до наших дней свойства галактик изменились, и отслеживание этих изменений – одна из целей внегалактической астрономии. Одним из ключевых изменений стала скорость роста галактик, что отражается в быстроте их звездообразования. Это следующий шаг в нашей истории.

Глава 4

Эволюция галактик

«Хейл Похаку» – резиденция для астрономов, работающих с многочисленными телескопами, расположенными на вершине Мауна-Кеа в 4 км над волнами Тихого океана. Мауна-Кеа – гора, которая вместе со своим соседом Мауна-Лоа возвышается над Большим островом Гавайи. «Хейл Похаку» находится на высоте 2700 м, чуть ниже вершины. Здесь достаточно удобно есть, спать и трудиться, когда не работают телескопы, и достаточно низко, чтобы не оказаться в «опасной зоне», где у человека может возникнуть острая высотная болезнь. Находясь у моря, иногда можно увидеть белые купола, сверкающие в солнечном свете на вершине, но часто предгорья окутаны густыми облаками, когда теплый и влажный тихоокеанский воздух поднимается вверх. У подножия Мауна-Кеа воздух очень густой, а если подняться на нее, воздух разрежается, небо очищается – и вы оказываетесь на 4 км ближе к звездам.

Один из телескопов, которые я использую на Мауна-Кеа, – телескоп Джеймса Клерка Максвелла, в частности субмиллиметровый болометрический массив (англ. Submillimetre Common User Bolometer Array, SCUBA) второго поколения. Первый SCUBA закончил свою работу несколько лет назад, а его пост заняло значительное техническое улучшение в этой области астрономии – SCUBA-2. Этот комплекс предназначен для обнаружения света на субмиллиметровых длинах волн около 0,45 и 0,85 мм. Эти конкретные длины волн не случайны: выбор диктует нам атмосфера Земли, потому что по большей части она очень успешно поглощает инфракрасные и субмиллиметровые волны. Однако в атмосфере есть узкие «окна», через которые могут проходить фотоны определенных частот, и два из них пропускают именно те длины волн, которые видит SCUBA-2. Тем не менее наиболее важным условием для пропуска фотонов является низкая влажность воздуха, и такие места, как Мауна-Кеа и чилийская Атакама, идеальны с этой точки зрения.

Экстремальные галактики, скрытые пылью

Субмиллиметровое излучение – это излучение между радио-и инфракрасным диапазонами в электромагнитном спектре. Телескоп Джеймса Клерка Максвелла не похож на оптический; скорее, он напоминает классическую радиоантенну: его принимающая тарелка шириной 15 м сделана не из полированного стекла, а из 276 алюминиевых панелей, способных захватывать субмиллиметровые фотоны. Они отражаются на меньшем вторичном зеркале, а затем на детекторе (в данном случае – на SCUBA-2, но у этого телескопа есть и другие инструменты). Как и многие другие телескопы, он размещается в куполе, защищающем сам телескоп, вспомогательную инфраструктуру (компьютеры, электронику, криогенное оборудование и прочие инструменты) и комнату управления. Купол оберегает все содержимое от внешнего мира, что особенно важно на вершине Мауна-Кеа, где окружающая среда может быть очень суровой – с минусовыми температурами и бурными ветрами, продувающими все на этой горе. У купола есть отверстие, которое позволяет тарелке видеть небо, а вращение позволяет обозревать разные части небесной сферы. Когда купол открывается, между тарелкой и небом остается последний физический барьер – самый большой в мире кусок GoreTex. Это еще один защитный слой, и так вышло, что для субмиллиметровых фотонов он на 97 % прозрачнее, чем стекло. Если бы наши глаза были чувствительны к субмиллиметровым фотонам, то этот серый непрозрачный лист был бы похож на стекло.

Сейчас SCUBA-2 – относительно новый инструмент, позволяющий нам проводить невероятные научные эксперименты. Благодаря его размерам и мощным сверхчувствительным детекторам регистрация субмиллиметровых фотонов стала более эффективной. Его камера намного больше, чем у его предшественника; это значительно упрощает создание больших карт неба, что важно для исследовательских работ. К сожалению, астрономические фотоны из далеких галактик, которые мы пытаемся обнаружить, исчезают в глубоком и бурном море окружающего излучения, такого как излучение атмосферы и даже тепловое излучение самого телескопа – это доминирующие сигналы, которые видит камера. Любой астрономический сигнал – лишь крошечный проблеск на этом фоне, поэтому прежде чем мы сможем создать научное изображение, нужно исключить эти загрязняющие компоненты. К счастью, у нас есть прекрасное программное обеспечение для такой работы, так что и доминирующие сигналы можно эффективно смоделировать и удалить, отфильтровав данные, которые записывает каждый болометр, когда SCUBA-2 сканирует небо. Но почему мы наблюдаем эти субмиллиметровые фотоны, а не какую-то другую длину волны?

Это изображение галактики Андромеды на длинноволновой части инфракрасной области спектра, полученное космической обсерваторией «Гершель». Излучение в дальнем инфракрасном диапазоне отслеживает холодную пыль, которая в галактиках, подобных M31, концентрируется в спиральных рукавах, что наглядно показано на этой иллюстрации. Пятна, где излучение ярче, указывают на расположение плотных областей звездообразования: там ярко светится пыль, покрывающая газовые облака, в которых образуются новые звезды

Проект «Широкоугольный инфракрасный обзорный исследователь» (WISE)

Мы видели, как галактики могут активно формировать новые звезды, и обратили внимание, что эта активность наблюдается на ультрафиолетовой и видимой длинах волн – прямом излучении самих новых массивных звезд, а также через линии эмиссии, испускаемые ионизированным газом, находящимся вокруг этих звезд. Поток, который мы измеряем, скажем, в УФ-полосе, может быть преобразован в скорость звездообразования галактики, потому что мы знаем количество УФ-фотонов, испускаемых этими молодыми звездами. Аналогично общее количество, например, H-альфа-фотонов, излучаемых ионизированным газом в сопутствующих областях HII, напрямую связано с количеством УФ-фотонов, излучаемых вновь образованными звездами. Но мы также видели, как межзвездная пыль может блокировать этот свет, снижая точность наших оценок скорости звездообразования. Мы называем этот эффект «исчезновением» из-за вредного воздействия на измеряемый поток. Галактики, которые энергично формируют звезды, также могут быть очень пыльными, или как минимум такими будут их области звездообразования, из-за чего значительная часть света от новых звезд поглощается и рассеивается пылью. И если мы действительно хотим понять, как скорости звездообразования в галактиках различаются в зависимости от их типов и периода космического времени, то в этих условиях нам придется столкнуться с настоящей проблемой.

Что же это за «пыль»? Мы говорим о частицах субмикронного масштаба – зернах, состоящих в основном из углерода и кремния, размером с частицы, составляющие сигарный дым, но только гораздо более разреженные. Этот материал возникает естественным путем на поздней стадии звездной эволюции в атмосферах и околозвездных средах звезд и постепенно распространяется по межзвездному пространству, когда звезды умирают: либо когда они выбрасывают свои атмосферные слои в новую звезду, либо в результате взрывного процесса рассеивания в сверхновой. По этой причине пыль обычно слипается в плотных участках поблизости или в местах образования новой звезды – тех самых областях, которые мы хотим изучить, чтобы измерить скорость звездообразования. Однако есть и решение этой проблемы: нужно перейти к зонам электромагнитного спектра, которые могут фактически обнаружить эту пыль как раз в тот момент, когда она нагревается за счет поглощения света зарождающихся звезд.

Когда зерно пыли поглощает УФ-фотон, оно нагревается, приобретая тепловую энергию в виде колебаний атомов внутри. Частицы пыли, облучаемые УФ-фотонами, внезапно становятся видимыми в инфракрасной части электромагнитного спектра, когда они переизлучают тепловую энергию, – как микроскопические светящиеся угли. Количество переизлученной энергии пропорционально количеству падающего излучения, исходящего от молодых звезд, что дает ответ на вопрос о том, как измерить скорость звездообразования в галактике, скрытой пылью. Это открытие стало для астрономов сигналом о том, что пришло время разработки телескопов и других приборов для обнаружения и картирования этого инфракрасного излучения.

Спектр излучения, испускаемого бо́льшей частью межзвездной пыли, близок к тому, что на физическом языке называют черным телом. Черное тело – это объект, который поглощает всю попадающую на него электромагнитную энергию (то есть фотоны), и если он сохраняет при этом постоянную температуру (мы называем это равновесием), то этот объект повторно испускает излучение в диапазоне частот с очень характерным спектром, называемым функцией Планка (в честь пионера квантовой механики Макса Планка). Спектр черного тела достигает пика на определенной частоте или длине волны света, соответствующей температуре тела (тот же принцип, с которым мы столкнулись при рассмотрении цветов звезд, которые также могут быть описаны как черные тела). Теперь типичная температура межзвездной пыли довольно низка по нашим меркам, на несколько десятков градусов выше абсолютного нуля. Эта температура соответствует излучению в далекой инфракрасной области спектра – от 100 до 200 микрон.

К сожалению, бо́льшую часть инфракрасного света, испускаемого космическими источниками, блокирует атмосфера Земли – за исключением узких «окон», какие есть, например, в субмиллиметровых полосах, где и работает SCUBA-2. Поэтому инфракрасные наблюдения лучше всего проводить из космоса. Самым успешным инфракрасным телескопом последних лет стал «Спитцер» (в честь астронома Лаймана Спитцера) – одна из «Великих обсерваторий» NASA. «Спитцер» носил приборы, позволяющие обнаруживать излучение в диапазоне от 4 до 160 микрон, и провел некоторые выдающиеся исследования. Хорошим примером может стать проект «Инфракрасный обзор ближних галактик “Спитцер”» (англ. Spitzer InЂared Nearby Galaxies Survey, SINGS), в рамках которого телескоп должен был получить изображения местных галактик в инфракрасном диапазоне для картирования и понимания распределения их пылевых межзвездных сред и природы их звездообразования. Также этот проект был направлен на получение – с беспрецедентной детализацией – больших знаний об инфракрасном излучении местных и хорошо изученных галактик. Когда мы смотрим на изображения спиральных галактик, сделанные в ходе этого проекта, и сравниваем инфракрасное излучение с оптическим светом, нам становится совершенно ясно, как пыль, выглядящая темными пятнами в оптическом свете, становится прозрачной в инфракрасном диапазоне и позволяет отследить затененные регионы формирования звезд.

Все инфракрасные детекторы должны храниться в холодном состоянии, с чем помогает криоген. «Спитцер» – космический телескоп, который находится не на орбите Земли, а на околоземной орбите Солнца, так что запас его криогена нельзя пополнить. Когда весь криоген окончательно израсходован, инструменты, которые необходимо охлаждать, отключаются. Единственными рабочими механизмами на спутнике на момент написания этой книги оставались две камеры с самой короткой длиной волны инфракрасной матрицы, работающие на длинах 3,6 и 4,5 микрон. Довольно скоро они тоже перестанут функционировать, и «Спитцер» завершит свою миссию[4]. Космическая обсерватория «Гершель», работавшая c 2009 по 2013 год на более длинных волнах – от 50 до 500 микрон, – завершила свою миссию, когда ее запас криогенного гелия подошел к концу. Одними из крупнейших достижений этой обсерватории стали проведение огромных картографических исследований, обнаружение тысяч ярких галактик на дальнем инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах волн, а также детальные исследования местных галактик в дальнем инфракрасном диапазоне, которые дополняют работу, выполненную «Спитцером».

Переизлученный инфракрасный свет – настолько важный источник для излучения галактики, что если взять среднее значение за все время существования Вселенной, то примерно один из каждых двух фотонов, генерируемых в результате звездообразования, излучается в инфракрасном диапазоне. Это бо́льшая часть внегалактического энергетического бюджета.

Изображение спиральной галактики M100, видимой в средней инфракрасной части электромагнитного спектра на длинах волн 3–8 микрон, сделанное космическим телескопом «Спитцер». Срединные полосы отслеживают теплую пыль, связанную с областями звездообразования. В отличие от оптических изображений, где пыль блокирует свет от звезд, на инфракрасных длинах волн сама пыль светится (красным), в то время как свет звезд намного слабее (голубой). Центральная область этой галактики ярко сияет там, где есть кольцо довольно интенсивного звездообразования, а плотные спиральные рукава четко подсвечены многими яркими «узлами» звездной активности. Инфракрасные наблюдения дают дополнительное представление о галактиках, что очень важно, учитывая повсеместную распространенность межзвездной пыли

Это означает, что около половины всей работы Вселенной по формированию звезд фактически можно отследить при помощи пыли, испускающей инфракрасное излучение, а не в результате прямого ультрафиолетового и оптического излучения звезд и газа. Конечно, это средние данные по всем галактикам. Когда мы рассматриваем отдельные галактики, то обнаруживаем, что в самых экстремальных системах во Вселенной – например, в наиболее активных областях звездообразования – часто преобладает их инфракрасный выход. При этом сами они настолько затенены, что могут быть почти невидимыми в полосах видимого света.

Еще одно изображение в средней инфракрасной области спектра, на этот раз – знаменитой галактики Сомбреро, которое также было получено с помощью космического телескопа «Спитцер» в средних инфракрасных диапазонах (3–8 микрон). Галактика Сомбреро слегка наклонена от края, если смотреть с нашей точки наблюдения; ее наиболее яркая характеристика – большой пылевой диск, который представляет собой кольцо, окружающее эллиптическое распределение относительно старых звезд. На этом инфракрасном изображении кольцо пыли, нагретое звездным светом, сияет красным

Эта галактика, известная как Подсолнух (M63), сфотографирована телескопом «Спитцер» в середине инфракрасного диапазона. Изображение показывает теплую пыль, закрывающую замысловатые спиральные рукава. Из-за относительно большой длины волны света, которую «видит» «Спитцер» (по сравнению с видимым светом), в сочетании с небольшой апертурой телескопа (менее метра) эти изображения менее резкие, чем у «Хаббла». Тем не менее именно «Спитцер» предоставил некоторые из наиболее важных данных по многим аспектам формирования, эволюции и свойств галактик

Субмиллиметровые полосы имеют решающее значение, поскольку они позволяют нам измерять часть дальнего инфракрасного спектра галактик на длинах волн, достаточно близких к спектральному пику, что дает надежную меру общей яркости инфракрасного излучения и, следовательно, скорости звездообразования. Иногда изучение галактик на инфракрасных и субмиллиметровых волнах называют исследованием «пыльной» Вселенной.

Здесь представлена средняя область инфракрасного изображения Arp 77 – спиральной галактики с заметной структурой перемычки, проходящей через ядро и соединяющей спиральные рукава. Снимок сделан телескопом «Спитцер». Обратите внимание на яркое кольцо инфракрасного излучения в ядре галактики – это излучение горячей пыли, связанное с кольцом звездообразования, окружающим активную центральную черную дыру. Структура перемычки частично ответственна за эту ядерную активность: она может служить для транспортировки газа и звезд от диска к ядру галактики

Красные/оранжевые пятна в центре каждой панели – очень далекие галактики, излучающие бо́льшую часть своего света в субмиллиметровой части электромагнитного спектра. Одним из главных достижений в области изучения эволюции галактик стало открытие того, что в прошлом общая скорость роста галактик, отслеживаемая за счет вычисления средней скорости звездообразования, была намного выше. Некоторые из самых ранних галактик формировали звезды с удивительно высокой скоростью – в сотни раз быстрее, чем Млечный Путь. Галактики, где происходят интенсивные «вспышки» звездообразования, также содержат большое количество пыли. Она блокирует значительную часть видимого света от звезд, в результате поглощения которого нагревается в поле звездного излучения. Эта энергия переизлучается в дальнем инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра и из-за эффекта красного смещения легко обнаруживается в субмиллиметровых полосах диапазона. Галактики этой категории называются субмиллиметровыми. Чем интересен этот класс галактик? Одна теория утверждает, что субмиллиметровые галактики – это прародители массивных эллиптических галактик, которые мы видим сегодня. Однако их можно увидеть в то время, когда они только формировали бо́льшую часть своей звездной массы, поэтому изучение отдаленных субмиллиметровых галактик могло бы дать представление о физике образования самых массивных галактик в космосе

Это исследование началось в далеком 1983 году, когда была запущена космическая обсерватория под названием «Инфракрасный астрономический спутник» (англ. InfraRed Astronomical Satelite, IRAS). Он стал первым телескопом, который отобразил все небо на инфракрасных длинах волн света (точнее, на длинах волн 12, 25, 60 и 100 микрон): в течение 10 месяцев научных исследований IRAS открыл совершенно новое «окно» во Вселенную, предоставив нам доступ к той части электромагнитного спектра, которая до тех пор была практически недоступна. IRAS прокладывал новый богатый путь для исследований эволюции галактик, который спустя три десятилетия все еще развивается и составляет значительную часть моих исследований.

Вероятно, самым важным достижением IRAS стало открытие тысяч галактик, которые ранее не были каталогизированы: хотя такие галактики были относительно бледными на оптических длинах волн и из-за этого их пропустили в ходе предыдущих наблюдений, они ярко светятся на инфракрасных длинах волн. Обсерватория IRAS также нанесла на карту масштабные пространства межзвездной пыли в нашей Галактике. Еще одно из ключевых открытий спутника заключалось в том, что почти во всех направлениях на небе всегда было какое-то тонкое рассеянное инфракрасное излучение. Его назвали «перистым», как высокие облака, которые мы видим на Земле. Но вместо водяного пара IRAS обнаруживал «мусор», оставшийся в результате звездообразования нашей Галактики – пылевой детрит от предыдущих поколений звезд.

Эти галактические «перистые облака» создают проблемы для проведения внегалактических исследований на ультрафиолетовой и видимой частотах. Прежде чем вступить в борьбу с поглощением сигналов атмосферой Земли, где вода и другие молекулы могут легко погасить проходящие фотоны, ультрафиолет и видимые световые фотоны из отдаленных внегалактических источников должны пройти через остальную часть нашей Галактики. Если фотон, исходящий из какой-то далекой галактики, сталкивается с пылью в Млечном Пути, он также может быть поглощен. Такое явление называется межзвездной, или галактической, экстинкцией, и мы должны учитывать ее влияние затемнения и покраснения на наблюдаемую интенсивность внегалактического света.

На снимке – элемент одного из рукавов галактики, известной как Мясной Крюк. Она была названа так из-за ее искаженной спиральной структуры, предположительно ставшей следствием предыдущего гравитационного возмущения из-за прохождения другой галактики. Ее рукав искрится множеством молодых голубых звезд, словно кружево пены на гребне волны

Чтобы сделать поправку на галактическую экстинкцию, нам нужно составить подробные карты местонахождения галактической пыли и понимать, какова ее толщина (мы можем получить эти данные из карт всего неба, сделанных, например, на инфракрасных длинах волн). В сочетании с формулой, описывающей то, насколько сильным является поглощение для разных частот света (так называемый закон покраснения), мы можем добавить обратно излучение, которое поглотила галактическая пыль. В некоторых направлениях, таких как галактическая плоскость, экстинкция настолько экстремальна, что сквозь нее не может пройти никакой внегалактический свет. Таким образом, проводя очень глубокие исследования далекой Вселенной, мы в идеале хотим заглянуть за пределы диска Галактики, где количество промежуточного цирруса невелико, поэтому межзвездная экстинкция внегалактического света сводится к минимуму. Это еще один недостаток внегалактической астрономии для того, кто живет в диске Галактики. Любопытно представлять, однако, что астрономам других цивилизаций в Галактике доступны различные области внегалактической Вселенной в зависимости от того, находятся ли они в очень плотной части (например, ближе к балджу) или в галактических «пригородах» – возможно, даже в одном из Магеллановых Облаков.

Другим важным достижением космической обсерватории IRAS стало открытие популяции галактик, испускающих огромное количество инфракрасного излучения – более чем в 1000 млрд раз больше яркости Солнца. Они были названы ультраяркими инфракрасными галактиками. Наряду с квазарами эти галактики входят в число самых ярких объектов во Вселенной. Хотя некоторые из них были ранее известны по итогам наблюдений в оптическом свете, они не считались такими уж особенными. Только когда IRAS показал их в интенсивном инфракрасном свете, астрономы начали обращать внимание на эти галактики.

Что стимулирует интенсивную активность в этих конкретных галактиках? Почему они намного более экстремальны, чем, скажем, наш Млечный Путь или близлежащая M31?

Галактическое насилие

При ближайшем рассмотрении выясняется, что практически каждая ультраяркая инфракрасная галактика в Местной группе была либо иррегулярной, либо измененной в процессе гравитационного объединения двух галактик – слияния. Галактики – не жесткие структуры: они больше похожи на капли жидкости, которые могут быть сплющены и сдавлены гравитационными силами. В процессе столкновения «галактика – галактика» сильные приливные силы, воздействующие на газ и звезды взаимным гравитационным притяжением двух (или более) галактик, резко искажают форму каждого участника столкновения. Например, для двух спиральных галактик такой процесс обычно включает в себя разрыв звезд и газа в спиральных рукавах на длинные замыкающие нити, когда галактики сначала приближаются, а затем летят друг за другом – этот процесс может повторяться несколько раз в зависимости от относительных скоростей. Иногда вместо того чтобы пролететь мимо скользящим ударом, потянув за собой звезды, газ и пыль в стычке, две галактики могут разбиться прямо друг о друга, резко перераспределяя свое вещество, иногда самым впечатляющим образом – образуя, к примеру, кольцевые галактики. В конце концов обе галактические системы «тонут» в общем потенциальном источнике, где они находятся.

Вы можете построить простую модель динамики слияний галактик на своей кухне с помощью пары шариков или любой другой вращающейся сферы, а также большой чаши. Запустите эти два шарика кататься по краю чаши – схема их движения будет аналогична двум сливающимся галактикам с заданными начальными скоростями. Дайте одному шарику дополнительный толчок на краю чаши и посмотрите на эффект – форма и сила гравитационного потенциала здесь моделируются глубиной и формой сторон чаши.

Во время слияний газ в дисках возмущается и сжимается. Этот процесс, когда ударные волны и турбулентность распространяются через систему, вызывая возмущения плотности в газе, может способствовать коллапсу гигантских молекулярных облаков – это идеальный шторм для запуска нового звездообразования, ведь такие возмущения плотности быстро растут под действием локальных сил гравитации (гравитация работает на всех масштабах, управляя как движением сливающихся галактик, так и внутренним поведением газа и звезд) и в итоге запускают формирование звезд. К финалу слияния бо́льшая часть дискового газа может попасть в ядерные области слитой галактики, образуя плотный молекулярный комплекс, охватывающий, возможно, несколько тысяч парсек. При достижении высоких плотностей и наличии обширного резервуара молекулярный газ может подпитывать образование звезд с очень высокой скоростью – до сотен или тысяч солнечных масс новых звезд в год. Мы называем это звездным взрывом.

В течение нескольких миллионов лет многие образовавшиеся массивные молодые звезды начинают умирать в сверхновых и загрязнять галактику большим количеством пыли (в дополнение к уже имеющейся). Поэтому галактики, в которых происходит интенсивный процесс звездообразования, часто сильно затенены. При этом бо́льшая часть пыли находится рядом с активными участками звездообразования, поскольку массивные звезды умирают вблизи звездных яслей, не имея достаточно времени для миграции. Таким образом галактики, подобные ультраярким инфракрасным, собирают звездную массу в яростных эпизодах звездообразования, но бо́льшая часть этой деятельности скрыта под пылевой мантией. Последняя нагревается и испускает дальнее инфракрасное излучение – именно так мы его и обнаружили.

Классический пример продолжающегося слияния – метко названные галактики Антенны. В нашей однометровой коробочной модели локальной Вселенной галактики Антенны будут находиться примерно в 70 см от Млечного Пути, что эквивалентно примерно 14 Мпк. Вы все еще можете различить, что это были две галактики, которые, вероятно, выглядели как довольно типичные спирали, но в результате столкновения их некогда правильная морфология грубо исказилась. Теперь изогнутые диски смешались, образовав два плотных скопления звезд, газа и пыли, приправленные областями HII с их отличительным свечением, которые зажигают новые звезды, воспламеняемые, вероятно, приливными силами, действующими на газовые облака. От объединяющегося ядра тянутся два длинных звездных потока – антенны, – вырванные из дисков галактик во время более ранней стадии слияния, когда галактики проходили близко друг к другу. Слитые в гравитационном танце, две галактики становятся одной – этот процесс, вероятно, длится около миллиарда лет. С Антеннами и другими галактиками на разных этапах танца слияния мы можем наблюдать этот астрофизический процесс в действии.

На снимке две галактики вовлечены в гравитационный танец – это пара взаимодействующих спиральных галактик Arp 273, слитых гравитацией. Гравитационное слияние оказывает приливное воздействие на звезды, газ и пыль, искажая структуру каждой галактики. В конце концов пара объединится в новую систему, перераспределив в процессе звезды и газ. Взаимодействие может вызвать коллапс газовых облаков в дисках галактик, и поэтому результатом таких слияний систем часто становится формирование новых звезд

Еще одна известная пара взаимодействующих галактик – Антенны. Снимок сфокусирован на ядрах двух галактик, близких к слиянию. Красный свет показывает присутствие HII, связанного с новыми звездами, которые обретают жизнь, когда гравитационное взаимодействие разжигает и сжимает холодный газ (первоначально он был расположен в дисках двух галактик). Многие только что родившиеся звезды можно увидеть в синем свете – как всегда, межзвездная пыль не позволяет части оптического света проходить сквозь нее, особенно в тех областях, где звездообразование активнее всего

Столкновения между двумя телами одинаковой массы – например, будущее столкновение между M31 и Млечным Путем или продолжающееся столкновение между галактиками Антенны – называются крупными слияниями. Они вызывают драматические эволюционные изменения: ощутимо увеличивают массу галактики, вызывают образование новых звезд и рост черной дыры (поскольку доставка газа в центральную область обеспечит топливо, из которого может расти центральная черная дыра), трансформируют морфологию, обогащают и взбалтывают межзвездную среду, а также распространяют тяжелые элементы. С другой стороны, «незначительные» слияния большой галактики и гораздо меньших систем встречаются чаще. Отчасти это объясняется тем, что галактики с меньшей массой гораздо более многочисленны, чем системы с большей (распределение галактик различной массы называется функцией массы, или функцией светимости). Также галактики с меньшей массой часто располагаются вокруг бо́льших систем в качестве спутников, увеличивая вероятность слияния. Отличный пример – наша Галактика. Мы уже говорили о двух крупнейших галактических спутниках, Большом и Малом Магеллановых Облаках, но Млечный Путь также окружен отрядом из нескольких десятков карликовых галактик малой массы, расположенных на расстояниях от 10 до нескольких сотен тысяч парсек. Этим карликам присваиваются имена в соответствии с созвездиями, в которых их можно увидеть на небе, поэтому у нас есть такие спутники, как карликовая эллиптическая галактика в Стрельце, карликовая галактика в Драконе, карликовая сфероидальная галактика Лев IV и многие другие. Новые карлики обнаруживаются каждые несколько лет: несмотря на их близость, найти такие объекты довольно сложно из-за их малой массы (и, следовательно, низкой поверхностной яркости), а также вследствие того, что они разбросаны по большим областям неба, поэтому для их обнаружения требуются большие площади обзора.

По мере вращения вокруг нашей Галактики карлики могут быть разорваны на части и увлечены в длинные приливные потоки при прохождении вблизи от основной массы Галактики. Похоже, что карлик в Стрельце связан с длинной лентой из звезд и газа, которая, вероятно, окружает диск Галактики – это однажды потерянный материал, который был извлечен, как кусок жвачки, во время прохода спутника в окрестностях главного диска. Точное движение спутников вокруг Млечного Пути, как полагают, в значительной степени определяется структурой гало темной материи, где находится диск. Поэтому при изучении строения звездных потоков, связанных с карликами и передающих прошлые движения спутников, мы можем узнать кое-что о распределении массы темной структуры, в которую встроен светящийся компонент галактики.

Еще один взгляд на двойные ядра сливающихся галактик Антенны: сюда включены данные, полученные комплексом ALMA, который работает на субмиллиметровой и миллиметровой длинах волн света. Пятнистый красный цвет соответствует плотному молекулярному газу, наложенному на изображение в видимом свете. Обратите внимание, что молекулярный газ находится в областях, где есть большое количество межзвездной пыли, блокирующей звездный свет. Пыль и газ стремятся смешиваться в самых плотных частях межзвездной среды галактик: в этом случае такие газовые облака растягиваются и сжимаются гравитационными силами во время насильственного слияния галактик, которое может вызвать новые всплески звездообразования

Здесь представлена пара взаимодействующих галактик Мыши, судьба которых – объединение в единую, слитую галактику в будущем. Наиболее поразительны длинные голубые хвосты звезд, оторванные от дисков галактик гравитационными приливными силами во время слияния. Два сгустка желто-оранжевого звездного излучения – центральные балджи двух галактик, которые сохраняют бо́льшую часть своей формы во время слияния. Тем не менее звездные оболочки начинают перекрываться и смешиваться

Arp 116 – это пара взаимодействующих галактик в скоплении Девы: эллиптическая и спиральная. Предполагается, что это гравитационное взаимодействие только началось, но изображение прекрасно контрастирует с морфологическими характеристиками галактик: эллиптические галактики представляют собой гигантские сфероидальные скопления старых звезд, обычно не образующие новых. Спиральные галактики построены в виде диска (в этом случае спиральные галактики находятся почти лицом к лицу) и стремятся к активному формированию звезд

Это разрушенная приливом галактика, которая по понятным причинам известна как Головастик. В этом случае меньшая галактика врезается в бо́льшую спираль, оставляя след звезд в длинном, затянувшемся потоке, вытесненном приливными силами. В этом потоке можно увидеть несколько скоплений массивных голубых звезд, что указывает на пятна активного звездообразования в хвосте, который также содержит холодный газ, невидимый на этих длинах волн. Некоторым из этих звездных скоплений, возможно, суждено стать шаровыми, которые будут притягиваться основным телом галактики и окружать его. На заднем плане показаны тысячи других, более отдаленных галактик

Взаимодействующая пара галактик Arp 87, соединенная тонкой цепью звездного света, – в итоге они должны слиться в единую галактику. Признаки недавнего звездообразования, вызванного слиянием, можно увидеть в голубом звездном свете вокруг галактики слева и в нарушенном спиральном рукаве галактики справа, который словно инкрустирован яркими, подобными драгоценным камням точками света – скоплениями новых звезд

Млечный Путь, очевидно, достаточно хорошо развит, и увеличение количества спутников не может радикально его изменить: масса карликов слишком мала по сравнению с массой самой Галактики. Тем не менее концепция того, что массивные системы могут вырасти из смешения меньших, – ключевой аспект нашей современной модели формирования и развития галактик во Вселенной, особенно в ранней. Такой подход называется иерархической парадигмой, и на то существуют две причины. Во-первых, потому что предметом изучения могут быть галактики, принадлежащие к иерархии структуры в больших пространственных масштабах. Например, дисковая система, окруженная карликовыми спутниками, может принадлежать к небольшой группе галактик, которая сама входит в состав нити галактик и групп, связанных с огромным скоплением тысяч галактик. Во-вторых, одна из базовых схем роста галактик в нашей нынешней модели заключается в том, что большие галактики могут быть собраны из постепенного слияния меньших систем в процессе, называемом восходящим образованием. Данные наблюдений позволяют предположить, что самые массивные галактики, которые мы видим сегодня, сформировали большинство своих звезд раньше, чем галактики с более низкой массой. Можно сделать наивный вывод, что массивные галактики формируются последними, поскольку сначала им нужно собраться из более маленьких строительных блоков. Однако если углубляться в точные детали раннего образования и роста галактик, процесс окажется куда сложнее, чем простая восходящая прогрессия. Одна из основных областей исследований в настоящее время посвящена именно тому, как газ и темная материя формируются и перетекают в структуры – гало темной материи. Физика, управляющая этим процессом, очень сложна.

Тем не менее совершенно очевидно, что на протяжении всей истории Вселенной слияния были важны для формирования населяющих ее галактик, поскольку значительная их часть переживает это событие в какой-то момент своей жизни. В то время как крупные слияния вносят беспорядок в спиральный диск и полностью преобразуют галактики, последствия «мелких» слияний, таких как взаимодействие с падающими спутниками, оказываются едва заметными – это небольшой перекос диска, вызванный гравитационным возмущением, или крохотный всплеск звездообразования, когда на диске накапливается свежий газ. Однако, как видно на примере потока Стрельца, воздействие слияния на самого карлика может быть разрушительным: часто он полностью разрывается и поглощается хозяином. Типичное изображение далекой спиральной галактики сначала может выглядеть нормальным и неискаженным, но глубокие наблюдения, которые собирают много света при зондировании до очень низкой поверхностной яркости, часто обнаруживают слабое свечение от рассеянных звездных потоков, которые окружают и оплетают галактику, как световая клетка. Эти явления – отголоски продолжающейся саги эволюции систем, еще раз показывающие, что галактики не являются статичными и постоянными, а представляют собой сложные и динамичные среды.

Термин, определяющий многие ультраяркие инфракрасные галактики, схож с теми, что были открыты космической обсерваторией IRAS, – галактика со вспышкой звездообразования: это галактики, формирующие звезды со скоростями, в несколько сотен раз превышающими скорости рождения звезд в нашей Галактике (хотя, оказывается, инфракрасный выход некоторых ультраярких галактик приходит из активного галактического ядра – растущей сверхмассивной черной дыры, – а не в результате звездообразования). Галактики со вспышкой звездообразования – важный вид в таксономии галактик. Одна из самых известных местных звездообразующих галактик – M82, ее также зовут Сигарой из-за специфической формы.

M82 находится на расстоянии около 3,5 Мпк или примерно в 18 см от Млечного Пути в нашей метровой кубической модели, и входит в состав небольшой группы галактик, включающей спиральную галактику M81 и меньшие галактики – NGC 3077 и NGC 2976 (от англ. New General Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars – Новый общий каталог туманностей и звездных скоплений; составлен астрономом Джоном Людвигом Эмилем Дрейером в конце XIX века). M82 – архетипическая галактика со вспышкой звездообразования, яркая в инфракрасном диапазоне, но также видимая и в оптических полосах. Она производит звезды со скоростью несколько десятков солнечных масс в год – в 10 раз быстрее Млечного Пути. Из-за своей близости и, следовательно, простоты изучения M82 часто используется в качестве прототипа и полезного образца для изучения и сравнения подобных галактик в далекой Вселенной. Одна из самых поразительных вещей в M82 – это суперветер, исходящий из основной ее части во внегалактическое пространство.

Изображение M82 в оптическом свете показывает довольно иррегулярную, но почти дискообразную галактику, наклоненную в нашу сторону. Туманные оранжево-голубые оттенки звездного населения пронизаны более темными бороздами пыли, хотя на самом деле бо́льшая часть действий происходит вблизи ядра галактики. Однако если мы возьмем изображение в H-альфа (таким образом обнаруживая ионизированный газообразный водород) и рентгеновском свете (отслеживая очень горячую плазму), то увидим извержение горячего газа, вытекающего со всех сторон диска в два огромных конусовидных протуберанца. Такой процесс называется эмерджентным суперветром, когда газ выдувается из галактики в окружающую ее среду. Наблюдения на других длинах волн показывают, что эти потоки также содержат холодный газ и пыль, смешанную с более горячим веществом, которое, скорее всего, было подхвачено ветром, когда он вытекал из M82 со скоростью миллионы километров в час.

Это и есть интенсивное звездообразование, происходящее в компактном газовом резервуаре глубоко в галактике, которая движет этим ветром. Высокая скорость звездообразования приводит к увеличению скорости детонации сверхновых. Когда сверхновая детонирует, большое количество высвобождаемой кинетической энергии оказывает давление на окружающую среду, сметая и продвигая материю (газ, пыль и все, что находится на пути), как ветер. При взрывах сразу множества сверхновых в межзвездную среду поступает огромное количество энергии. Если вы объедините ее со звездными ветрами, сгоняемыми с отдельных звезд, то в результате получите шторм, пронизывающий галактику. Если этот ветер сталкивается с другим материалом, таким как газ и пыль, то может вызвать ударную волну, в результате чего температура поднимется, о чем свидетельствуют рентгеновское излучение и ионизированные газы. Достаточно сильные ветра могут вырываться из галактики, посылая межзвездный материал в межгалактическое пространство, как это и происходит в случае с M82.

Подобно взрыву, сливающаяся галактика IC 883 показывает последствия галактического столкновения, когда звездные раковины, пучки и приливные структуры, очевидно, взрываются от яркой хаотической массы звезд, газа и пыли. Результатом стал взрыв звездообразования, что характерно для слияний галактик – важных событий в истории их жизни. Многие галактики проходят процессы взаимодействия и слияния, и некоторые из самых интенсивно звездообразующих галактик во Вселенной стали такими именно в результате этих процессов

Еще одна сливающаяся система, разорванная в процессе гравитационного балета, – галактика ESO 77-14

Квинтет Стефана – группа галактик, открытых Эдуардом Жан-Мари Стефаном в XIX веке. Голубая галактика в левом нижнем углу физически не связана с группой, но помимо нее есть три красные галактики, находящиеся в процессе слияния. Это взаимодействие морфологически нарушает галактики, вырывает газ и звезды и запускает новые процессы звездообразования в нарушенной материи. Снимок показывает это в веере звезд в верхнем левом углу центральной красной галактики: пятна красного и синего цветов указывают на присутствие ионизированного газа (области HII), а молодые голубые звезды образуются в облаках возмущенного, коллапсирующего газа, выдавленного из диска галактики

Галактики типа М82 – сегодня довольно редкие объекты. Фактически, если сложить все данные, среднее число звездообразований во всех галактиках современной Вселенной довольно сбалансировано. Одним из главных достижений в области изучения эволюции галактик за последние несколько десятилетий стало открытие того, что в прошлом средняя скорость звездообразования во Вселенной была намного выше. Все астрономические исследования, которые ее измеряли, указывают на то, что скорость звездообразования относительно прошлого устойчиво растет, подразумевая, что скорость роста галактики в течение некоторого времени снижалась. Чтобы отследить эволюционные изменения, нужно взглянуть на большие образцы галактик, видимых на разных красных смещениях (помните, что свету требуется очень много времени, чтобы добраться до нас; поэтому, когда мы смотрим на галактики с высоким красным смещением, мы видим прошлое Вселенной). Галактики, схожие по свечению с M82, были куда более распространены в ранней Вселенной, и это – те виды систем, которые мы пытаемся наблюдать с помощью телескопа SCUBA-2, потому что такие галактики хорошо видны на дальних инфракрасных волнах и их можно обнаружить в субмиллиметровых полосах.

В начале 1980-х годов канадский астроном Пол Хиксон составил каталог компактных групп галактик. Во Вселенной существует иерархическая структура, и эти группы представляют собой области промежуточной плотности между средой низкой плотности изолированных «полевых» галактик и шумными роями галактик, населяющих богатые скопления. На снимке изображена компактная группа Хиксон 90: совершенно очевидно, что между двумя эллиптическими галактиками другая – вероятно, та, что прежде была спиралью, – разрывается гравитационными приливными силами. Прекрасный пример насильственной эволюции, которую галактики переживают в групповой среде, например такой, как изображена здесь

На изображении – иррегулярная галактика со вспышками звездообразования М82, которую часто описывают как архетипическую галактику с активным процессом формирования звезд. Этот снимок показывает сине-желтый диск, в плотных газовых резервуарах которого происходит интенсивный процесс рождения звезд. Красная нитевидная эмиссия, распространяющаяся над и под диском, – свет ионизированного газообразного водорода. То, что мы видим, – это возникающий суперветер: газ и пыль буквально выдуваются из галактики энергией, порождаемой звездными ветрами, радиационным давлением и сверхновыми в местах возникновения звезд глубоко в галактике. Многие галактики, в которых происходит интенсивный процесс возникновения звезд, на некотором уровне порождают эти ветра, играющие роль в регулировании скорости роста галактик путем контроля количества газа, который он может быть использован для создания звезд. Какое-то количество этого выброшенного материала будет позже «падать» на галактику под действием силы тяжести, перераспределяя металлы, но в крайних случаях газ может быть выброшен из галактики, чтобы никогда не вернуться, как ракета, покидающая орбиту Земли. Сегодня понимание астрофизики галактических ветров и потоков – ключевая область исследований внегалактической астрономии

История формирования звезд

Приблизительно 8–10 млрд лет назад средняя скорость звездообразования в галактиках была примерно в 10 раз выше, чем сегодня, что, предположительно, стало пиком космической активности. Если мы посмотрим на еще более отдаленные и, следовательно, более молодые галактики, то окажется, что средняя скорость звездообразования снова постепенно снижается по мере того, как мы приближаемся к Большому взрыву – событию, после которого началось формирование галактик. В целом это ожидаемо: вокруг не всегда были галактики – в какой-то момент они должны были сформироваться и, по-видимому, нарастить свою звездную активность. Экспериментальные данные в отношении космической истории (по крайней мере, в части эволюции галактик) 10–12 млрд лет назад намного беднее: неопределенности слишком много, из-за чего затрудняются наблюдения на очень больших космических расстояниях. Мы знаем, что на протяжении бо́льшей части истории Вселенной скорость роста галактик стремительно снижалась. Это, пожалуй, самое наглядное и важное свидетельство изменений популяции галактики в ходе космической истории, кульминация которых – то, что мы видим вокруг себя сегодня (и, конечно, эта эволюция будет продолжаться в будущем).

Существует много факторов, влияющих на снижение глобальной скорости звездообразования, но одни из основных причин – потребление газовых запасов и сокращение новых поступлений газа в галактиках с течением времени. Скорость звездообразования в галактике тесно связана с общей массой и плотностью газа внутри нее: чем больше газа, тем выше скорость звездообразования. Мы знаем это из детальных исследований местных галактик. В прошлом в галактиках было больше газа, потому что первоначальные резервуары, которые конденсировались при первом разрушении галактики, еще не были превращены в звезды, и аккреция нового газа из межгалактического пространства происходила с более высокой скоростью. Со временем этот запас истощается. Если галактика останется изолированной, то газ, накопленный в диске, будет медленно стекать, превращаясь в звездное население: скорость звездообразования падает по мере того, как топливо расходуется в течение миллиардов лет. Как мы уже видели, если произойдет слияние систем, как в галактиках Антенны, то может произойти звездный взрыв, который заставит резко возрасти скорость звездообразования галактики еще на несколько сотен миллионов лет. За это время газ будет израсходован быстрее.

Конкурируя с потреблением газа для формирования звезд, которое обусловлено ненасытной гравитацией, в галактиках также действует эффект обратной связи звезд и черных дыр, который, как вы помните, представляет собой механизм регуляции роста, предотвращающий слишком быстрое образование звезд за счет слишком большого количества газа. Этот процесс предотвращает переполнение Вселенной чрезмерным количеством очень массивных галактик и позволяет эволюции скорости звездообразования принимать на диаграмме форму покатого холма, а не отвесной скалы. Опять же, природа обратной связи и ее эффективность варьируются от галактики к галактике в зависимости от массы каждой системы (гораздо проще удалить газ из галактики с малой массой, такой как карлик, чем из массивной, в частности потому, что гравитационное сцепление, удерживающее газ в ней, намного сильнее).

Галактики не ограничены только тем газом, который попадал в них на этапе их формирования. Со временем здесь может накапливаться и новый газ, который высасывается из межгалактического пространства. Мы говорим, что этот газ гравитационно охлаждается в гало темной материи, потому что он теряет потенциальную гравитационную энергию, когда переходит из динамически «горячего» состояния в «холодное» под действием силы тяжести. Пополнение топлива, необходимого для формирования звезд, означает, что скорость снижения запасов газового резервуара не так велика, как могла быть, если бы не было новых «поставок». Однако количество газа, которое накапливается таким образом, также варьируется от галактики к галактике: скорость наполнения существенно зависит от массы галактики.

Итак, разные галактики проходят разные пути образования звезд. В конце концов, потребление газа является выигрышным фактором, поскольку со временем не только уменьшается пополнение запасов за счет межгалактического пространства; в некоторых случаях влияние факторов обратной связи и окружающей среды, например таких, как скопления галактических кластеров, также приводит к предотвращению образования газа и новых звезд. В результате мы наблюдаем замедление общей скорости роста галактик с течением времени.

Описанное представляет собой очень упрощенную широкую картину эволюции галактики, и детали этих процессов все еще разрабатываются и изучаются. Важно то, что эволюция галактик не одинакова: их индивидуальные истории звездообразования определяются комбинацией внутренних параметров, таких как общая масса и местное окружение. Местное окружение галактики – очень значимый фактор, который может влиять на скорость слияний и взаимодействий галактик, а также приводить к запуску других внешних процессов, которые могут воздействовать на галактические свойства. Как мы уже видели, наиболее экстремальные условия возникают в кластерах. Галактики в скоплениях проходят через большой круг астрофизических процессов, которые невозможны в других местах: давление, гравитационное приливное «преследование», «голодание» и «удушение» газа. Эта довольно сомнительная номенклатура отражает интенсивную роль некоторых эффектов, подобных перечисленным, в процессе изменения галактики. «Преследование», например, относится к многочисленным высокоскоростным проходам между галактиками в переполненных скоплениях, которые происходят при относительных скоростях— слишком больших для слияния, но достаточных, чтобы вызвать гравитационные возмущения в галактиках, когда они вращаются в пределах гравитационной ямы скопления. Со временем это может изменить конфигурацию звездного распределения в галактиках внутри скоплений и морфологически преобразовать их.

В любой момент времени скорость роста галактики также может варьироваться в зависимости от локальной среды. Сегодня скопления – это области, где почти не образуются новые звезды: бо́льшая часть активности происходит в средах, подобных той, в которой находится Млечный Путь. Однако эволюция глобальной скорости звездообразования применима ко всем галактикам, так что отдаленное скопление, замеченное 5 млрд лет назад, может иметь более низкую скорость звездообразования, чем окружающее поле в ту же эпоху; средняя скорость звездообразования в этом скоплении выше, чем мы видим в скоплении сопоставимой массы сегодня. Таким образом, в прошлом скопления, группы и отдельные галактики в поле средней плотности имели более высокие скорости формирования звезд, чем сегодня. Изучение того, как эволюция различается в зависимости от сред, – ключевая область исследований. Измерение разных путей развития галактик в разных средах (например, изучение некоторых кластерных процессов, описанных выше) позволяет нам связать физику роста галактик с ростом крупномасштабного распределения темной материи во Вселенной.

Формат эволюции глобальной скорости звездообразования говорит о том, что для изучения основной эпохи создания самых массивных галактик сегодня нам нужно взглянуть на галактики в далекой (ранней) Вселенной с наиболее интенсивными процессами формирования звезд. Именно такие исследования мы и проводим при помощи комплекса SCUBA-2, так как он позволяет обнаружить молодые галактики со вспышкой звездообразования, которые являются прародителями современных массивных галактик (например, эллиптических). Я участвую в проекте «Обзор космологического наследия» (англ. Cosmology Legacy Survey) – крупнейшем исследовании, проводимом с помощью телескопа SCUBA-2. В общих чертах цель этого проекта состоит в том, чтобы наблюдать относительно большие области неба и идентифицировать большое количество отдаленных галактик с субмиллиметровым излучением. Часто эти изображения очень слабы или даже не обнаруживаются на других длинах волн, особенно в оптических диапазонах, но они видны в субмиллиметровых диапазонах: в этих галактиках идет активное формирование звезд, скрытое от обычных телескопов пылевой завесой. Поскольку разрешение SCUBA-2 намного ниже, чем может быть достигнуто с помощью оптического света, получаемые изображения не такие «красивые», как, скажем, те, что дает космический телескоп «Хаббл» или даже небольшой оптический телескоп, который вы можете купить сами.

Причина низкого углового разрешения – в том, что мы используем гораздо большую длину волны, чем оптический свет. Угловое разрешение телескопа (то, насколько точно мы можем делать изображения) определяется длиной волны используемого света, разделенной на размер тарелки или зеркал, из которых она собрана. Для телескопа Джеймса Кларка Максвелла, представляющего собой блюдо шириной 15 м, оно составляет около 8 угловых секунд при 450 микрон и вдвое больше – при 850 микрон – двух длинах волн, которые видит SCUBA-2. Для сравнения, космический телескоп «Хаббл» обладает разрешением порядка десятой доли секунды, поэтому он может видеть очень мелкие детали, но только в видимом и почти инфракрасном диапазонах. При работе со SCUBA-2 мы получаем изображение, которое содержит только яркий шарик пикселей, если есть яркие субмиллиметровые галактики, но не можем увидеть пространственные детали. На первый взгляд, такие результаты не очень интересны для широкой публики, но эти пиксели представляют собой некоторые из самых экстремальных электростанций Вселенной, производящих в эквиваленте до 1000 Cолнц в новых звездах каждый год. И самое замечательное в субмиллиметровых диапазонах – то, что мы можем использовать довольно полезную причуду природы и легко обнаруживать активные галактики в очень далекой Вселенной.

Ранее я упоминал, что спектр излучения пыли от галактик имеет форму черного тела с пиком излучения на длине волны около 100–200 микрон. На длинах волн за пределами этого пика, примерно до 1 мм, количество излучаемой галактикой энергии плавно уменьшается. Субмиллиметровые полосы, которые мы используем, находятся прямо в середине этой области. Однако когда мы смотрим в сторону далеких галактик, наблюдаемый спектр переходит на более длинные волны из-за красного смещения. Это означает, что фиксированные полосы SCUBA-2 видят излучение пыли ближе к собственному пику в спектре: пик теплового излучения пыли смещен ближе к наблюдаемым полосам. Конечно, когда мы перемещаем галактику на более дальние расстояния, ее поток становится слабее на всех длинах волн света.

Однако поскольку спектр пыли за пределами пика уменьшается с увеличением длины волны, эффект затемнения, который сопровождается увеличением красного смещения, компенсируется тем, что SCUBA-2 исследует часть спектра, где излучение более ярко.

Это означает, что при фиксированной яркости галактика, похожая на ультраяркую инфракрасную галактику, отличается примерно такой же наблюдаемой яркостью на обширной полосе космической истории. Как будто кто-то держит свечу перед вами и затем уходит вдаль, но свеча не тускнеет. Практическая значимость заключается в том, что мы можем наблюдать за этими галактиками до гораздо более высоких красных смещений, чем было бы возможно, скажем, в оптическом или радиоволновом диапазоне, где форма спектра галактики не дает провернуть этот трюк. С помощью телескопа SCUBA-2 в проекте «Обзор космологического наследия» мы потенциально можем измерить звездообразование в галактиках вплоть до времен, когда Вселенной было всего 500 000 лет – близко к тому, когда сформировались самые первые из них.

Скорость звездообразования – один из основных наблюдаемых элементов, который мы можем проследить на протяжении истории космоса. Другим таким элементом является звездная масса галактик. Вооружившись красным смещением (или наиболее правдоподобным предположением), чтобы преобразовать наблюдаемый поток в общую светимость, мы можем оценить звездную массу галактики путем измерения общего количества оптического и ближнего инфракрасного света от нее, поскольку это излучение исходит в основном от звезд, а общее количество излучаемых фотонов пропорционально их количеству. На самом деле все это происходит немного сложнее: если смотреть в целом, галактики содержат ряд звездных типов разного возраста, высвобождая разное количество фотонов на каждой длине волны (так, молодые массивные звезды доминируют в синем свете, а старые, с меньшей массой, – в красном). Имея некоторое представление о звездной функции начальной массы, описывающей распределение по массе данной звездной популяции и средний возраст звездной популяции (что сообщает, каким должно быть текущее звездное распределение, учитывая начальную функцию массы), и, конечно, оценив, сколько света нам не хватает из-за пылевой экстинкции, мы можем определить общую массу звезд в любой галактике.

В совокупности звездная масса и скорость звездообразования галактик дают еще один ключ к тайне эволюции галактик. Если мы разделим галактики по звездной массе, а затем посмотрим, как средние скорости звездообразования менялись со временем в каждой из этих групп, то увидим, что пик активности зависит от массы галактики. Хотя пик активности галактик в среднем был 8–10 млрд лет назад, пиковая эпоха звездообразования для самых массивных галактик проходила в космической истории раньше, чем для менее массивных. Термин «сокращение» описывает концепцию того, что основная часть роста звездной массы во Вселенной с течением времени происходит в менее массивных системах. Это хорошо согласуется с тем, что самые массивные галактики во Вселенной сегодня – эллиптические галактики в центрах скоплений – являются также и одними из самых старых галактик, и пик их роста давно прошел.

Совершенно очевидно, что существует тесная связь между эволюцией галактики и ее массой, но здесь есть некоторая тонкость. История формирования звезд в галактике и ее масса взаимосвязаны, но также взаимосвязаны и масса галактики и окружающая среда: самые массивные галактики живут в самых плотных узлах космической паутины. Интересно, насколько взаимосвязь истории роста галактики и ее массы соотносится с «локальной» физикой самой галактики или физикой, связанной с ростом структур, в которых она живет. Если кратко, то увидели ли бы мы одно и то же, отслеживая эволюцию двух галактик одинаковой массы, но в разных средах? Проблема «природа против воспитания» в области эволюции галактики преследует астрономов. Ее очень сложно понять, хотя, на самом деле, на глубоком уровне все это просто стороны одной медали.

Галактическая среда обитания и ее роль

Вся структура Вселенной выросла из того, что изначально было крошечными – квантовыми – возмущениями в распределении вещества (как темной, так и «нормальной» материи). Плотные среды сегодня (например, кластеры) всегда были плотными относительно среднего распределения вещества. Если бы вскоре после Большого взрыва мы посетили участок, скажем, самого массивного в Местной группе скопления Кома, то не нашли бы ни звезд, ни галактик, но плотность вещества здесь оказалась бы немного выше, чем в окружающем пространстве. Поскольку гравитация зависит от обилия массы, плотные области – например, наше изначальное скопление – разрушаются (то есть становятся более плотными и массивными, накапливая больше материи) раньше, чем другие области. Газ в этих регионах способен собираться и конденсироваться в то, что станет протогалактиками (а не галактиками, как мы их сейчас бы назвали), немного раньше, чем где-либо еще. У галактик, родившихся в плотной окружающей среде, есть фора для старта по сравнению с остальными их «коллегами».

Как и протогалактика, не похожая на современную галактику, протокластер ничем не напоминает скопления вроде Кома или Девы – хотя и является плотной областью, которая в итоге станет богатым скоплением. Протокластеры больше похожи на слабо связанные скопления молодых галактик и газа, постепенно разрушающиеся и сливающиеся в единую, гравитационно связанную структуру. Важно отметить, что условия окружающей среды в этом молодом скоплении еще не влияют на эволюцию галактик тем многообразием способов, которые мы наблюдаем сегодня в плотных массивных скоплениях – потомках окружения протокластеров, замеченных ранее в истории Вселенной. Например, эффект «давления поршня» может наблюдаться только в том случае, если кластер заполнен горячей плотной плазмой, и на его формирование требуется некоторое время, поскольку кластер растет с образованием глубокого гравитационного потенциала. Однако любые протогалактики, образующиеся вблизи пика плотности вещества (самой глубокой части гравитационной ямы), останутся там навсегда. Поэтому судьба галактик, которые станут массивными эллиптическими галактиками в окружении, подобном кластеру Кома, была в некотором смысле предначертана условиями окружающей среды их рождения. А это, в свою очередь, было случайным образом определено квантовыми флуктуациями в распределении вещества вскоре после Большого взрыва.

Очевидно, что обусловленность окружающей среды некоторых галактик оказала глубокое влияние на их развитие, даже на самых ранних стадиях формирования. Скопления галактик непрерывно растут с течением времени, накапливая все больше и больше материи. Часть этой аккреции принимает форму отдельных галактик и групп галактик в непосредственной близости от них, которые притягиваются за счет действия гравитации. Как только массивное скопление будет должным образом сформировано, воздействие окружающей среды начнет играть важную роль в развитии этих «падших» галактик. Наиболее важными станут прекращение формирования звезд и морфологические преобразования, которые начнутся, когда галактики будут пересекать окружающую среду скопления, и мое исследование затронуло эту тему.

Если мы посмотрим на кластеры сегодня, то увидим, что их ядра в основном содержат популяцию пассивных эллиптических и линзовидных (S0) галактик. Если понаблюдать за скоплениями галактик с более высоким красным смещением, видимых на этапе около 5 млрд лет назад (когда Солнечная система, кстати, только формировалась), то мы все равно увидим совокупность эллиптических галактик, а S0 будут отсутствовать или найдутся в значительно меньшем количестве. Где же они? S0 представляют собой популяцию галактик, которая накопилась в ядрах богатых скоплений за последние 5 млрд лет космической истории. Одна теория утверждает, что S0 – потомки того, что когда-то было большими спиральными галактиками: они упали в скопление и перестали рождать звезды либо в результате откачки газа под действием «давления поршня», либо из-за потери газа в ходе погружения в суровую горячую атмосферу кластера. Со временем эти галактики собрались в ядре скопления, на дне гравитационной ямы – там, где они «пассивно» развивались.

Загадка заключается в том, что оптические исследования не обнаружили популяцию больших спиральных галактик с достаточно высокой скоростью звездообразования, которые могли бы превратиться в S0. Видите ли, S0 – это действительно довольно массивные галактики с большими звездными балджами. Для превращения типичной спиральной галактики в S0 требуется дополнительный рост звездной массы, особенно в области балджа. Если заглянуть в прошлое, количество звездообразующих спиральных галактик в скоплениях действительно растет, компенсируя отсутствие S0, но исследования оптического света все же ясно показывают, что у этих галактик не было ударного звездообразования, который позволил бы им эволюционировать в S0. Некоторые исследования, в которых я принимал участие, пытались решить эту проблему: мы начали поиск звездообразующих галактик в отдаленных скоплениях, которые могут быть скрыты пылью, в результате чего скорость их звездообразования ранее была недооценена. В нашем эксперименте использовались возможности космического телескопа «Спитцер» для получения изображений в среднем инфракрасном диапазоне, чтобы составить карты нескольких больших скоплений с красным смещением около 0,5 (наблюдаемых в прошлом – около 5 млрд лет назад). Цель работы была проста: поиск галактик с ярким инфракрасным излучением и, следовательно, с высокой скоростью звездообразования должен был выявить популяцию, галактики которой находятся на этапе перехода от спиральной формы к линзовидной.

Наш эксперимент удался. Мы обнаружили популяцию светящихся инфракрасных галактик (примерно в 10 раз менее ярких, чем ультраяркие инфракрасные галактики, которые мы встречали), образующих звезды со скоростями, которые ранее были серьезно недооценены. Эти галактики присутствовали в достаточном количестве и формировали достаточно звезд, чтобы можно было предположить, что они могут создать дополнительную звездную массу, необходимую для образования S0. Галактики в основном находились на окраинах скопления, довольно далеко от наиболее серьезных воздействий эффекта «давления поршня», поэтому можно было собрать много звездных масс без помех для окружающей среды. Мы рассчитывали, что суровая окружающая среда внутри скопления предотвратит дальнейшее образование звезд: диск и спиральные рукава исчезнут, а балдж станет больше – все, что нужно для превращения спирали в S0.

Через пару лет мы вернулись к образцу. Мы хотели уточнить, сколько газа содержат галактики, идентифицированные «Спитцером», – предполагаемые предшественники линзовидных. Измерение скорости звездообразования – это хорошо, но важно также иметь представление и о количестве газа, оставшегося в галактиках для дальнейшего звездообразования. Скорость звездообразования – это мгновенное измерение того, что сейчас происходит с галактикой. Но было ли в тех галактических резервуарах достаточно газа, чтобы сформировать звезды в S0? Нам удалось обнаружить окись углерода в образце пяти галактик одного из исследуемых кластеров, чьи инфракрасные свойства мы очень хорошо измерили. Общая масса газа в галактиках, полученная из светимости окиси углерода, была примерно в 10 млрд раз больше массы Солнца. Это не сгоревшее топливо; мы знали, что у галактик уже были довольно большие звездные массы (оптические и ближние инфракрасные данные предполагали массы десятков миллиардов солнечных масс), но газовые наблюдения подтвердили, что для дальнейшего строительства было достаточно сырья, чтобы создать дополнительную звездную массу и соответствовать массе типичной S0.

Сейчас я пытаюсь изучить эти галактики более подробно, чтобы узнать больше об их физике. Одна из основных задач – попытаться получить наблюдения звездообразования и газа с более высоким пространственным разрешением, чтобы выяснить, где в галактиках создается звездная масса. Требуется время на сбор и анализ данных, чтобы понять, происходит ли это в области балджа, как мы ожидаем, или по всему диску? Но одно из самых захватывающих ощущений в работе ученого – чувство, что вы находитесь на пути открытий, что каждый следующий шаг позволяет узнать что-то новое о природе – то, чего никто никогда не знал.

Мы говорили об эволюции галактик и, в частности, о важности ведения инфракрасных и субмиллиметровых наблюдений (прекрасный пример того, почему жизненно важно иметь многоволновое представление о Вселенной). Теперь давайте рассмотрим некоторые методы, которые мы можем использовать, чтобы лучше исследовать галактики в далекой Вселенной.

Гравитационные окна в прошлое

Надеюсь, мне удалось разъяснить тот факт, что астрономы постоянно борются с отношением «сигнал – шум». Свет – это поток, который падает на Землю от самых далеких галактик.

Он крайне мал, поэтому наше представление о далекой Вселенной становится все более неопределенным, так как размеры этого сигнала все больше напоминают шум в измерениях. Легче всего обнаружить и измерить самые яркие системы, такие как квазары и галактики с интенсивным образованием звезд, поэтому ими всегда будут рекордные (по размерам) галактики. Здесь проявляется то, что мы называем эффектом выбора: дело не в том, что эти экстремальные галактики – единственные, просто их легче обнаружить. Обычные галактики, подобные нашему Млечному Пути, трудно найти в далекой Вселенной. К счастью, природа дала нам несколько уловок, которые позволяют «видеть» дальше. В одной из наиболее эффективных и замечательных методик современной внегалактической астрономии используется естественный эффект, называемый гравитационным линзированием.

Одно из предсказаний общей теории относительности Эйнштейна, которая описывает силу тяжести через искривление пространства-времени, состоит в том, что фотон, проходящий вблизи большой массы, будет отклоняться из-за искажения пространства-времени в ее окрестностях. Классическая двумерная иллюстрация этого эффекта – шар для боулинга, помещенный на резиновый лист, где он создает глубокую ямку. Если вы покатите шарик по поверхности этого листа и посмотрите на его движение сверху, то увидите, что траектория шарика будет отклоняться от прямой линии из-за углубления в листе, сделанного шаром для боулинга. То же происходит и со светом, который проходит мимо больших масс, например галактик и скоплений. Этот эффект и называется гравитационным линзированием: подобно лупе, мы можем использовать его для усиления светового потока далеких галактик.

Экспериментально феномен гравитационного линзирования был впервые продемонстрирован в 1919 году героем физики сэром Артуром Эддингтоном вскоре после того, как Эйнштейн опубликовал свою теорию. Во время полного солнечного затмения Эддингтон измерил положение на небе определенной яркой звезды вблизи (в угловом разделении, а не на физическом расстоянии) Солнца. Положение той же звезды, когда она наблюдалась в другой точке года, находясь далеко от Солнца, показало изменение точно в соответствии с тем, что можно было бы ожидать, если бы масса Солнца отклоняла световые лучи, проходящие близко к нему, как это и предсказывала общая теория относительности. И это – одно из самых изысканных астрономических наблюдений всех времен.

Масса Солнца велика для нас, но незначительна в астрономических масштабах (в конце концов, солнечная масса – это наша основная единица описания массы в галактиках, как грамм в мешке с мукой). Но как насчет гравитационного линзирования, вызванного самыми массивными системами во Вселенной – скоплениями галактик? Когда были получены очень глубокие снимки скоплений галактик с большой выдержкой, стало ясно, что некоторые из них, по-видимому, содержат синие дугообразные элементы, окружающие плотное ядро красных эллиптических галактик. Эти голубые дуги физически не входят в состав скопления, но представляют собой очень далекие галактики, оказавшиеся вдоль одной линии обзора со скоплением. Свет, излучаемый этими далекими галактиками, проходил через массивное скопление на пути к нашим телескопам и отклонялся аналогично свету, проходящему через стеклянную линзу.

Галактики – не единичные точки света, поэтому объекты, чья форма схожа с диском, могут на самом деле растягиваться: части галактики изгибаются и отклоняются на разные величины в зависимости от распределения массы в линзе (или в кластере, как в нашем примере). Подобно лупе, гравитационное линзирование усиливает свет далеких галактик, делая их ярче. Линзирование – чисто гравитационный эффект, который зависит от общей массы темной и «нормальной» материи, присутствующей в системе. Поэтому гравитационное линзирование предоставляет нам еще один метод, позволяющий сделать вывод о наличии распределения темной материи в скоплениях и галактиках и исследовать его. Если мы вычтем массу видимых звезд в галактиках и газа между ними, что является немаловажной частью массы скопления, и сравним эти данные с «массой линзирования», то обнаружим избыточность, которая и указывает на присутствие темной материи.

Яркие дуги, видимые вокруг ядер скоплений галактик, – пример того, что называется сильным линзированием, так как эти световые лучи значительно искажены массой скопления. Хотя мы не видим этих ярких дуг с сильными линзами при больших угловых расстояниях от ядер кластеров, фоновые галактики на больших радиусах от центров скоплений все же подвержены влиянию массы переднего плана, хотя и в меньшей степени. Эти небольшие искажения почти незаметны: формы галактик искажены довольно незначительно, а наблюдаемые потоки лишь слегка увеличены. Воздействие эффекта настолько тонко, что его можно увидеть только в статистическом анализе форм и потоков многих галактик. К счастью, галактик так много, что это можно сделать при съемке с глубокими изображениями. Такое явление называется слабым линзированием.

На фотографии – плотное скопление галактик Abell 1689. Кластеры являются одними из самых массивных гравитационно связанных структур во Вселенной, и среди галактик в ядрах скоплений, подобных этому, преобладает эллиптический тип – массивные старые галактики с небольшим образованием звезд. Галактики, сформировавшиеся на ранних этапах истории Вселенной, появились, когда самые большие флуктуации плотности в исходном поле материи превратились в массивные структуры, похожие на эту. Abell 1689 прекрасно раскрывает сигнатуру гравитационного искажения пространства-времени, предсказанного общей теорией относительности Эйнштейна: вокруг ядра скопления можно увидеть гравитационные дуги – изображения более отдаленных галактик вдоль линии обзора, свет которых был согнут и искажен промежуточной материей. Мало того, что гравитационное линзирование может быть использовано для очень подробного изучения очень далеких галактик (поскольку они увеличены) – картина искажений еще может быть использована и для восстановления общей массы скопления, предоставляя доказательства существования такого компонента, как темная материя

Длинная оранжево-голубая полоса на этом изображении скопления галактик Abell 370 – искаженное изображение далекой галактики, которая гравитационно линзируется массивным скоплением на переднем плане (другие линзовые объекты также рассматриваются как линейные объекты вокруг ярких эллиптических галактик). Форма линзированного изображения определяется распределением вещества в кластере – как «нормальной», так и темной материи. Увеличение яркости и растяжение изображения далекой галактики скоплением на переднем плане позволяют нам исследовать свойства этой галактики гораздо более детально, чем это было бы возможно без эффекта линзирования

Мы можем использовать сильное линзирование для более детального изучения далеких галактик, чем это возможно в других случаях, используя увеличение их наблюдаемого потока, и поэтому нам легче его обнаружить, повысив отношение «сигнал – шум» в наблюдениях вроде спектроскопии. Эффект искажения линзы также растягивает видимый размер далеких галактик, что позволяет нам видеть объекты в меньшем физическом масштабе по сравнению с их аналогами, незатронутыми этим эффектом. Поэтому гравитационное линзирование так ценно для подробного изучения очень далеких галактик и особенно успешно, когда расстояние до линзируемой галактики примерно вдвое больше, чем расстояние от нас до самой линзы.

И все же в использовании линз для изучения далеких галактик есть несколько подвохов. Во-первых, мы не можем перемещать скопления галактик, поэтому вынуждены ограничиваться наблюдениями относительно небольшого числа отдаленных галактик, выровненных, к счастью, вдоль линии обзора. Кластеры довольно редки, и не все из них действуют как системы с сильным линзированием. Таким образом, размер нашей выборки линзируемых галактик невелик по сравнению с бесчисленным количеством галактик в незанятом поле. Во-вторых, хотя увеличение и искажение изображений этих галактик помогают нам, они также несколько усложняют анализ, поскольку мы должны создавать реконструкцию того, как эти галактики действительно выглядят в «плоскости источника» – то есть как бы они выглядели, если бы скопления не было. Мы можем сделать это путем построения моделей линз, которые пытаются имитировать распределение массы в линзе, используя формы и ориентации всех искаженных изображений различных галактик вокруг данного кластера с сильным линзированием (одна галактика может быть линзирована в несколько изображений, также может быть несколько независимых галактик, линзированных скоплением). Для всего этого нужны изображения с очень высоким разрешением, и космический телескоп «Хаббл» был ключевым инструментом, делающим этот анализ возможным и предоставляющим четкое изображение, необходимое для обнаружения линз галактик, а также для моделирования линз.

По существу, скопления галактик можно рассматривать как гигантские телескопы с «зеркалами» в сотни тысяч парсек.

Удивительно, но сама структура Вселенной дает нам преимущество, когда дело доходит до изучения галактик внутри нее.

Однако только линзы могут увести нас так далеко. Святой Грааль, или даже последний рубеж, исследований эволюции галактик – это взгляд в прошлое Вселенной, во времена, когда галактики только возникали. Эту эпоху называют реионизацией.

Генезис галактик

Представьте, что вы пролили кофе на мощеный пол. Попадая на вершину булыжника, жидкость быстро стекает в промежутки между камнями и накапливается в углах и ямах. На вершине камня капля кофе обладает некоторой потенциальной гравитационной энергией, но, стекая, она может потерять ее. Потенциальная гравитационная энергия превращается в кинетическую, когда капля стекает по краю булыжника, и эта кинетическая энергия рассеивается, как только капля оседает в самых низких точках, расплескиваясь между камнями. Отправной точкой формирования галактики можно считать изначальный газ, оседающий между «булыжниками» ранней Вселенной.

После образования Вселенной во время Большого взрыва, как мы видим сегодня, крупномасштабной структуры еще не было: тогда маленький космический объем был заполнен горячей плазмой «нормальной» материи, смешанной с морем темной. Эта «нормальная» материя представляет собой основной материал, необходимый для формирования всего, что мы видим вокруг нас сегодня, включая протоны, нейтроны и электроны. Темная материя служит своего рода каркасом, к которому может приклеиться «нормальная» материя, поскольку гравитация усиливает небольшие недостатки в распределении плотности. После того как прошло достаточно времени и Вселенная достаточно остыла во время своего расширения, электроны смогли соединиться с ядрами простых элементов – главным образом, водорода и гелия (и некоторого количества дейтерия и лития). Этот этап называется эпохой рекомбинации и представляет собой время, когда материя во Вселенной перешла от состояния ионизированной (со свободными электронами) к нейтральному (с электронами, связанными с атомами электромагнитной силой). Сцена для будущего формирования галактик была готова.

Пока это происходило, небольшие флуктуации плотности в распределении вещества начали привлекать больше материала – как темной, так и «нормальной» материи. Это и был момент начала формирования галактик: нейтральный газ стал перетекать в избыточные плотности, растущие в области материи. Там, где газ объединился с первыми гало темной материи, образовались протогалактики. После прохождения критической точки, когда плотность газа стала достаточно большой, чтобы запустить ядерный синтез в первичном (безметалловом) газе, протогалактики начали формировать звезды. Как только это произошло, первые звезды залили окружающее пространство фотонами, освещающими окружающий нейтральный газ. Некоторые из этих фотонов (ультрафиолетовые) были достаточно энергичны, чтобы удалять электроны из атомов нейтрального водорода, реионизируя их. Считается, что рост сверхмассивных черных дыр, которые начали образовываться вскоре после появления первого звездного поколения, также способствует прогрессии ре-ионизации, поскольку они излучают энергию при аккреции вещества. Вы можете воспринимать этот процесс как эпидемию чумы: пузырьки ионизированного газа раздуваются вокруг ярких молодых галактик, пронизывая почти все пространство. Вот почему эра называется эпохой реионизации: Вселенная через нейтральную фазу вышла из начального состояния полной ионизации, а затем снова была ионизирована при запуске первых галактик.

На изображении из проекта «Моделирование “Милленниум”» представлена одна из симуляций поведения холодного темного вещества с очень большим числом частиц. Учитывая космологическую модель, моделирование отслеживает эволюцию темной материи с самого начала. Здесь показано современное выделение темной материи вокруг массивного гало (скопления галактик): видимость – почти 100 млн пк, типичный кусок Вселенной, где более яркие цвета соответствуют более высокой плотности темной материи. Галактики внутри таких гало с центральной массивной структурой могут содержать много отдельных систем (отличный пример – скопление Кома). Хорошо видны распределение материи в космической сети и иерархическая структура. Наша текущая модель возникновения галактик предполагает, что галактики формируются в результате охлаждения первоначального газа в гало темной материи и последующего образования звезд. Формирование галактики – очень сложный комплексный процесс, в котором задействована сложная физика; понимание затрудняет и то, что мы все еще не понимаем истинную природу самой темной материи

Сегодня эпоха реионизации находится за пределами нашего понимания, но не полностью: мы очень близки к тому, чтобы научиться правильно ее наблюдать. Через несколько лет новые наблюдения в радиоволновом диапазоне предоставят нам данные, которые позволят точно определить это изменение Вселенной (так как пока мы не знаем, когда произошла реионизация и сколько времени это заняло). Мы сможем обнаружить сигнатуру выброса нейтрального водорода (волна длиной 21 см, о которой мы говорили) при очень высоком красном смещении там, где ожидается реионизация (в зоне красного смещения десяти или нескольких сотен тысяч лет после Большого взрыва), поскольку эта линия подвергается красному смещению в низкочастотную часть радиоспектра. Но наблюдать это трудно, потому что сигнал очень слаб. Поэтому бо́льшая часть исследований в этой области проводится в теории: что мы ожидаем увидеть, учитывая текущие модели? Один из основных компонентов современной астрономии – использование мощных компьютерных моделей и симуляций для развития нашего понимания и разработки гипотез о том, как работает Вселенная.

Глава 5

Модели мира

Если перейти к опасным обобщениям, то можно заметить, что астрономы делятся на две категории: наблюдатели и теоретики. Последние занимаются в основном созданием и тестированием моделей Вселенной или ее фрагментов (например, галактик) и пытаются понять, как конкретный астрофизический процесс работает, начиная с самых первых законов. Если нам не хватает знаний о функционировании природы (например, об образовании галактик), теоретик должен придумать правдоподобную модель, которая сможет предложить объяснение. Эти модели сравниваются с эмпирическими данными, что позволяет увидеть, работают ли они. За эту часть отвечают, конечно, астрономы-наблюдатели.

Все наблюдатели – эмпирики; к ним в том числе отношусь и я. Используя измерительные устройства (в нашем случае – телескопы и все их составляющие, такие как камеры и спектрографы), мы получаем данные для наблюдения тех или иных феноменов, а затем интерпретируем их в рамках современной модели мира – космологической парадигмы, которая описывает Вселенную как целое. Конечно, между этими астрономическими когортами есть связи: они должны быть, чтобы в результате научного тестирования моделей на основе собранных данных можно было достичь прогресса. И есть те, кто объединяет два астрономических лагеря, используя преимущества подходов и тех, и других. Однако между наблюдателями и теоретиками традиционно существовало соперничество, доходящее до уровня классовой войны, начало которой восходит к временам Ньютона и Флемстида в XVII веке. В то время наша модель Вселенной была сфокусирована на небесной механике Солнечной системы, движениях планет и комет, наблюдаемых такими астрономами, как Флемстид, собравшими данные, на основе которых Ньютон создал свою гениальную работу по гравитации. Без проведения наблюдений этот большой теоретический рывок в нашем понимании гравитации не мог бы произойти. Законы, открытые Ньютоном, актуальны и сегодня.

350 лет спустя наша модель мира называется «Лямбда-CDM». «Лямбда— холодная темная материя», также называется космологией конкорданса) и представляет собой современную стандартную космологическую модель, в которой пространственно-плоская Вселенная заполнена, помимо обычной барионной материи, темной энергией и холодной темной материей. Наша модель – все еще неполная, поскольку мы не до конца понимаем ее основные компоненты. Лямбда является коэффициентом темной энергии, который происходит от уравнений Эйнштейна, этот коэфициент называется «космологической постоянной» (Эйнштейн думал, что это может быть математической причудой, и в то время называл этот неудобный термин своей «величайшей ошибкой»).

Темная энергия – название, данное механизму, ответственному за наблюдаемое ускорение расширения Вселенной, о чем свидетельствует яркость далеких сверхновых. Как и темная материя, она «темная», потому что мы не знаем точно, что это такое (хотя некоторые идеи у нас есть). С точки зрения общего баланса плотности энергии Вселенной она, предположительно, доминирует над темной и «нормальной» материями вместе взятыми.

С точки зрения истории Вселенной темная энергия начала оказывать существенное влияние сравнительно недавно. Предположим, что ускорение продолжается, поскольку это более важно для будущей эволюции крупномасштабной структуры Вселенной. CDM – это холодная темная материя, другая основная составляющая массы во Вселенной и, как мы видели, важный компонент в формировании, структуре и распределении галактик. «Холодная» в CDM относится к идее о том, что частицы, составляющие темную материю, движутся медленно по сравнению со скоростью света. Также существуют модели, в которых темная материя «теплая», и они дают совсем другие прогнозы эволюции структуры Вселенной. Опять же, обе концепции мы можем проверить путем наблюдения. В настоящее время большинство ученых предпочитают концепцию холодной темной материи.

Мы еще не обнаружили темную материю в экспериментах непосредственно, несмотря на то что по массе она превосходит «нормальную» материю примерно в пять раз. Проблема проста: темная материя, по-видимому, не особо взаимодействует с другим веществом в остальных процессах, за исключением гравитации, и мы должны смотреть на все в астрономических масштабах, чтобы заметить ее (например, изучать кривые вращения галактик или гравитационное линзирование). Если темная материя состоит из частиц, называемых вимпами (акроним от англ. Weakly Interacting Massive Particles – слабо взаимодействующие массивные частицы), то мы могли бы ожидать (очень редко) отдачи частицы «нормальной» материи, когда две из этих частиц сталкиваются («слабо» в вимпе подразумевает, что взаимодействие «нормальной» и темной материй произойти может, но такие события редки). Сейчас ученые проводят эксперименты, направленные на поиск именно этого эффекта.

Примером эксперимента по обнаружению темной материи стали работы с детектором ZEPLIN-III, состоящим приблизительно из 12 кг жидкого ксенона, покрытого сверху небольшим количеством газообразного ксенона (ксенон – один из благородных инертных газов). В эту жидкость были погружены трубки фотоумножителя, чтобы они обнаруживали и усиливали любую сигнатуру отдачи атомов ксенона, когда с ними сталкивается вимп, что создает короткий крошечный всплеск света. Чтобы уменьшить загрязнение сигнала другими частицами, проходящими через ксенон, которые могут вызвать срабатывание детекторов, ZEPLIN-III был помещен на глубину более 1 км под землей в калийную шахту Боулби, расположенную в британской части Северного Йорка, с толстым слоем горных пород, которые экранируют детектор от любого лишнего сигнала. Одним из примеров загрязнения являются космические лучи – высокоэнергетическое излучение, которое постоянно падает на наши головы в результате различных энергетических астрофизических процессов, например взрыва сверхновых. Поток космических лучей значительно ослаблен скалами в несколько сотен метров, что делает шахту идеальным местом для экспериментов с такими приборами, как ZEPLIN-III. До сих пор действительно убедительных наблюдательных данных прямого обнаружения темной материи представлено не было. Возможно, темная материя и не состоит из вимпов – как бы там ни было, поиск продолжается.

Несмотря на всю неопределенность, «Лямбда-CDM» – наша лучшая модель Вселенной. Я понимаю, почему публика может скептически отнестись к фактическому существованию чего-то вроде темной материи: считается, что она повсюду (хотя плотность меняется от места к месту), тем не менее это «повсюду» не оказывает заметного влияния на нашу повседневную жизнь. Но если размышлять в космических масштабах, то тогда становятся очевидными косвенные доказательства наличия компонента темной материи в кривых вращения галактик и движениях звезд, а также в гравитационном линзировании света. Независимо от того, что именно представляет собой темная материя, и ее точной природы описывающая их текущая модель проделывает неплохую работу по предсказанию многих событий во Вселенной, которые хорошо согласуются с данными наблюдений. Да, проблемы в модели есть, но это и не удивительно: цель наших исследований состоит в создании модели, которая может совершенствоваться по мере накопления новых знаний. Если мы получим достоверные данные наблюдений, которые не могут быть объяснены моделью, или докажем, что модель неверна, то она будет отброшена, а мы начнем снова. Примером этого является смена парадигмы, которая произошла, когда модель Вселенной, начавшаяся с горячего Большого взрыва, поборола теорию стационарной Вселенной.

Происхождение в водовороте

Теория стационарной Вселенной, разрабатываемая Фредом Хойлом, Томасом Голдом и Германом Бонди в середине XX века (все они были и остаются высокоуважаемыми астрономами и космологами), описала Вселенную, которая не имела начала, но была всегда. В модели стационарной Вселенной галактики находятся в движении, о чем свидетельствует галактическая рецессия относительно Земли, открытая в начале ХХ века, но сама Вселенная сохраняет постоянную плотность (при усреднении по большим объемам), позволяя новым галактикам возникать по мере расширения космоса. Двумя основными доказательствами, которые обесценили теорию стационарной Вселенной, стали наблюдение космического микроволнового фона – всепроникающего радиационного поля, которое указывает на горячее происхождение Вселенной, – и тот факт, что галактики на больших красных смещениях начинают демонстрировать свойства, отличные от тех, что есть у ближайших к нам. Например, в далекой ранней Вселенной существовало гораздо больше квазаров, чем сегодня. Это означает, что население галактик меняется с течением времени. Поэтому, как ни странно, изобилие квазаров в более ранней Вселенной напрямую связано с тем, что скорость активности – как звездообразования, так и роста черных дыр – в прошлом была выше, чем сегодня. Это указывает на прогрессивные изменения населения галактик.

По мере сбора эмпирических данных теория стационарной Вселенной отошла на второй план. Однако, разрабатывая ее, ученые не потратили время впустую: наукой движет эмпирическая проверка гипотез, и стационарная Вселенная просто не вписывается в картину, которую нам дают наблюдения. На смену ей пришла теория горячего Большого взрыва, описывающая мгновенное образование пространства и времени из одной точки в начальный момент прошлого. Модель «Лямбда-CDM» описывает содержание этой Вселенной, ее геометрию и эволюцию. Она не идеальна, и астрономы признают это (конечно, некоторые больше, чем другие, – в этом деле легко стать догматиком). Например, есть проблемы с тем, как теория работает во времена сразу после Большого взрыва и в описании механики того, как Вселенная могла расширяться так быстро. Точно так же у нас нет достоверной теории о том, как вообще произошел Большой взрыв, или что произошло раньше, или существуют ли другие Вселенные. Это уже совсем другая история. На данный момент астрономы вроде меня используют «Лямбда-CDM» в качестве контекста или структуры, в рамках которой можно интерпретировать наблюдения, и, что более важно, в качестве модели, которая может быть подвергнута тщательному анализу. Наша нынешняя модель мироздания удивительно хорошо объясняет широкий спектр явлений, поэтому мы, вероятно, все же находимся на правильном пути. С другой стороны, в масштабе отдельных галактик и их внутренней работы все еще задействована старая добрая физика. Сами по себе многие принципы физических процессов, действующих в галактиках, достаточно хорошо изучены. Проблема возникает, когда мы пытаемся понять, как все различные физические процессы работают в галактиках вместе. Вот тогда все становится сложнее: мы должны работать по частям, наблюдая за тем, как складывается наш пазл.

Термодинамические свойства ранней Вселенной устанавливают фундаментальный горизонт, за которым мы, наблюдатели, не можем ничего разглядеть. Как мы уже видели, судьбы темной и «нормальной» материй были сплетены с самого начала, и вскоре после образования Вселенной и темная материя, какой бы она ни была, и «нормальная» были равномерно распределены в горячем первичном бульоне. Мы не можем непосредственно наблюдать эту эпоху, потому что фотоны, движущиеся в горячей плазме, были успешно захвачены, будучи постоянно рассеянными заряженными барионными частицами. Это рассеивание означало, что у них не было возможности свободно перемещаться по Вселенной так же, как это получается у света далеких галактик, который относительно беспрепятственно двигается через встречающуюся на его пути материю. Но как только Вселенная расширилась и охладилась достаточно, чтобы электроны объединились с протонами, сформировав таким образом первые атомы и нейтрализовав Вселенную, это рассеивание почти прекратилось. Тогда фотоны – излучение самого Большого взрыва – были выпущены, как лошади на скачках, практически беспрепятственно струясь к нам через постоянно расширяющуюся Вселенную, их путешествие заняло почти 14 млрд лет. Момент высвобождения этих фотонов называется эпохой рекомбинации: в это время фотоны в последний раз рассеялись ионизированной материей на поверхности последнего рассеивания. Это самая отдаленная (или, если хотите, самая ранняя) точка, которую мы можем увидеть во Вселенной. Эта поверхность, а точнее, ее излучение, пронизывающее Вселенную, называется космическим микроволновым фоном, или реликтовым излучением.

Оно представляет собой почти равномерный световой дождь, который с расширением Вселенной был смещен в красную область на микроволновые волны и, как кажется, излучается со всех сторон неба (хотя сигнал от реликтового излучения заглушается микроволновым излучением самого Млечного Пути). Спектр реликтового излучения – почти идеальное черное тело, представляющее тепловое испускание излучения с характерным спектральным распределением, сходным с формой инфракрасного излучения пыли галактик, с которым мы сталкивались ранее. Пик спектра соответствует средней температуре 2,73 градуса выше абсолютного нуля, и это и есть температура космоса – остаточное тепло Большого взрыва.

Реликтовое излучение, нанесенное на карту всего неба такими спутниками, как «Космический микроволновый фоновый обозреватель» (англ. COsmic Background Explorer, COBE), микроволновый зонд анизотропии Уилкинсона и, совсем недавно, космической обсерваторией «Планк» спутником Европейского космического агентства – неравномерно. Существуют колебания температуры – они хоть и незначительны (вариации составляют порядка одной части на 100 000), но имеют фундаментальное значение для истории эволюции галактик. Эти колебания температуры представляют собой колебания плотности, присутствовавшие в горячем бульоне из частиц всего через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва. Это те булыжники, из которых построена Вселенная. Флуктуации в реликтовом излучении являются признаком того, что барионы начали оседать в областях высокой плотности, которые росли из-за более ранних квантовых возмущений плотности вещества, когда Вселенная быстро расширялась из одной точки. Детали распределения галактик, которые мы видим сегодня, были сформированы в то время, когда барионы вливались в эти гравитационные борозды, а затем сами усиливали их. Фактически это своего рода «фотография» того времени – снимок Вселенной, когда галактики только начали формироваться. Наши возможности отображения реликтового излучения в мельчайших деталях – одно из главных достижений наблюдательной космологии.

Отсутствующие барионы в скелете Вселенной

Я воспринимаю темную материю как скелет, покрытый видимой материей – газом и галактиками. Крупнейшие исследования показывают, что галактики распределены по филаментам – скоплениям и группам, связанным между собой в паутину вроде сети крупномасштабных структур, подобно рисунку, который на стакане оставляет пенистое пиво. В нынешней модели галактики выдают эту невидимую сеть темной материи, так же как свет уличных и домашних огней показывает местоположение дорог, городов и селений на Земле, если смотреть на нее ночью из космоса.

Гравитационное влияние темной материи помогло сформировать галактики, превратив барионы в упорядоченные структуры (такие, например, как Млечный Путь). Но есть еще одна интересная сторона в эволюции барионов. Мы говорили об этом на протяжении всей книги, так что вы уже знаете, что «нормальная» материя составляет лишь часть общей массы материальной Вселенной, а остальная масса – это темная. Менее очевидная проблема заключается в том, что только небольшая часть тех барионов, которые представляют такую ничтожную долю от общей массы, вообще находится в галактиках. Из исследований реликтового излучения (статистическое распределение колебаний температуры его фона содержит большое количество данных о свойствах Вселенной непосредственно перед тем, как галактики были сформированы, в том числе о барионной фракции материи во Вселенной), а также измерений обилия первичных элементов, таких как гелий, дейтерий и литий, мы знаем, сколько барионов должно быть во Вселенной в целом. Эти самые легкие элементы смогли сформироваться вскоре после Большого взрыва в процессе, называемом нуклеосинтезом, и их содержание контролируется общей плотностью барионов относительно всей материи.

Мы можем сложить всю массу в галактиках звездного света (видимого и ближнего инфракрасного света), газа (радио-и миллиметровой волн) и пыли (инфракрасного света). Мы можем даже сложить массу барионов за пределами галактик за счет рентгеновского свечения горячей атмосферы в скоплениях галактик и в линиях поглощения элементов во внегалактическом пространстве, которые оказываются подсвеченными яркими квазарами. Но когда мы сложим все это, то обнаружим, что насчитали меньше барионов, чем ожидалось. Остальные пропали без вести, и эта загадка стала известна как проблема пропавших барионов – это показывает, что мы не полностью понимаем принципы формирования галактик.

Глядя в далекую Вселенную, мы можем найти данные по некоторым из барионов, которые сейчас числятся пропавшими. Кроме того, используя спектры квазаров, мы можем искать отпечатки скоплений нейтрального газообразного водорода в галактиках и вокруг них, а также плавающие в межгалактическом пространстве. Одно облако нейтрального газа может поглотить часть света квазара, оставляя линию поглощения на определенной длине волны, соответствующей красному смещению этого облака. Свет от более удаленных квазаров должен проходить через большее количество межгалактического пространства, перехватывая множество облаков на этом пути и вводя множество линий поглощения в спектр квазара. В спектрах квазара может накапливаться так много линий поглощения (все на разных длинах волн), что сеть газовых облаков называется лесом Лайман-альфа. Лайман-альфа— обозначение линии поглощения рассматриваемого водорода; это принципиальный переход атома водорода в серии «Лайман», относящийся к электронам на самом низком энергетическом уровне системы. Измеряя обилие этих облаков нейтрального водорода и их масс, определяемые силой поглощения, а также массу звезд, образовавшихся в галактиках одновременно, мы можем вычислить общее количество барионов в ранней Вселенной. Взглянув на более ранние времена, мы сможем объяснить большее количество барионов, составляющих теоретический итог, чем можем сегодня. Они были потеряны как раз где-то между «тогда» и «сейчас». Пока наша самая лучшая версия состоит в том, что со временем большинство барионов никогда не превращались в галактики или, по крайней мере, не образовывали холодный газ или звезды.

Проблема потерянных барионов проистекает из простого: мы до сих пор не до конца понимаем цикл барионов и течение газа в галактики и из них. Мы уже знаем, что в межгалактическом пространстве много газа. Наиболее очевидным местом его нахождения являются кластеры, где межгалактический газ достаточно горяч, чтобы светиться рентгеновскими лучами. Кластеры торчат, как больной большой палец на рентгеновских снимках неба, однако большинство отдельных галактик не являются сильными излучателями рентгеновского излучения, и даже когда они все-таки излучают его, как, например, квазары, это излучение очень мало. Большие размеры кластеров порождают расширенное рентгеновское излучение, которое поглощает сравнительно небольшие галактики, погруженные в эту горячую атмосферу. Общая рентгеновская светимость кластера может быть преобразована в общую массу газа. Но мы не сможем обнаружить барионы, если они не помогут нам, испуская или скрывая излучение. Одна из теорий состоит в том, что отсутствующие барионы просто находятся в состоянии, которое нам трудно обнаружить, – тепловатый газ, который горяче́е, чем газ в галактиках, но холоднее, чем внутрикластерная среда, температура которой составляет десятки миллионов градусов. Таким образом, этот газ – не слишком плодовитый источник рентгеновского или любого другого излучения, которое мы могли бы легко обнаружить. Это наша ахиллесова пята.

Но где же эта материя, если не в галактиках? Что ж, ответ нам дает архитектура темной материи – крупномасштабной структуры, в которую встроены галактики. Предполагается, что бол2 ьшая часть отсутствующих барионов находится в нитях между скоплениями, содержащими большинство галактик. Подобно тому, как скопления представляют собой гигантские гало темной материи, где находятся галактики, системы в нитях заключены в гало, которые смешиваются, образуя взаимосвязанную сетку темной массы, которая со временем становится все более объемной.

Этой массы достаточно, чтобы привлечь, ускорить и в процессе нагреть межгалактический и исконный газ. Газ разогревается до достаточно высоких температур, от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов градусов, что слишком горячо, чтобы разрушиться в галактиках, и слишком холодно, чтобы испускать рентгеновские лучи, которые мы могли бы увидеть. Это огромный резервуар неиспользованного материала, из которого могли бы образовываться новые галактики или черпать для роста уже существующие, но он заточен в лимбе под действием силы тяжести. Этот материал называется тепло-горячей межгалактической средой. Эксперименты по ее обнаружению используют ту же методику линий поглощения, которая позволила нам обнаружить нейтральный газ в спектрах далеких квазаров. Хитрость заключается в том, чтобы найти яркий удаленный квазар вдоль линии обзора нитевидной структуры и получить ее ультрафиолетовый или рентгеновский спектр. Если свет от квазара проходит через плотное пятно тепло-горячей межгалактической среды, то свет может поглощаться присутствующими здесь сильно ионизированными элементами, например кислородом. Атом кислорода, у которого удалены почти все его электроны, будет поглощать свет при высоких энергиях, отслеживаемых ультрафиолетовым и рентгеновским диапазонами. Обнаружение такого сильно ионизированного элемента будет означать присутствие высокоэнергетической газовой среды. Поглощение рентгеновских лучей отслеживает очень горячий газ, а поглощение ультрафиолета – менее горячий, но все еще теплый газ. Такой резервуар был открыт в нашей части Вселенной в сверхскоплении Скульптора, или Стене Скульптора. Скульптор – это созвездие, и в его направлении можно найти похожее на стену сверхскопление галактик, которое представляет собой часть нашей крупномасштабной структуры. Рентгеновские спектры яркого квазара за этой стеной показывают характерный провал – линию поглощения – на правильной длине волны, ожидаемой для сильно ионизированного кислорода, задерживающегося между галактиками в этой плотной структуре.

Бо́льшая часть тепло-горячих межгалактических сред состоит из водорода; кислород и другие тяжелые элементы, задействованные в работе линии поглощения, – просто следовые загрязнения. Единственное место, где могли возникнуть эти тяжелые микроэлементы, – внутри звезд. Таким образом, эти «загрязнители», должно быть, каким-то образом «сбежали» из галактик, в которых они были сформированы, и теперь находятся в этих тепло-горячих межгалактических средах. Это еще одно доказательство циркуляции газа внутри галактик и за их пределами – барионного цикла. Но как насчет большей части тепло-горячих межгалактических сред: как они туда попали? Ответ на этот вопрос лучше всего моделируется в компьютерных симуляциях – мощных инструментах, необходимых для развития нашего понимания Вселенной и ее содержания.

Игрушечная Вселенная

В наше время астрономы часто пользуются компьютерами. В моих исследованиях бо́льшая часть работы связана с анализом данных телескопов. Из «сырых» изображений неба мы стремимся создать откалиброванный продукт из данных научного уровня (скажем, глубокое изображение или спектр), а затем собрать его для получения интересной информации. Необходимая для этого обработка опирается на все более мощное программное обеспечение, поскольку объем данных, создаваемых телескопами, постоянно растет, и требуются более вместительные средства хранения цифровой информации, большая вычислительная мощность и оперативная память. С другой стороны, для теоретиков наиболее важной в использовании компьютеров становится возможность создания симуляции работы Вселенной или, по крайней мере, ее приличного фрагмента. Как и наблюдатели, работающие с телескопами, создающие симуляции теоретики ограничены возможностями программного обеспечения. Всегда есть потребность в более быстрых машинах, большей памяти и большем количестве процессоров, и чтобы все это стоило как можно дешевле. Как и наблюдатели, стремящиеся видеть дальше и яснее, теоретики всегда стараются создать симуляции лучшего качества и с самым высоким разрешением.

Возможно, наиболее важные типы имитации крупномасштабных свойств Вселенной, которые мы имеем, – симуляции N-тела, где N – это количество частиц. Самая простая симуляция N-тела называется проблемой двух тел, которую можно сделать на листе бумаги. Нарисуйте сетку из линий – это ваша модель Вселенной, ограниченная двумя измерениями. Пронумеруйте ячейки, а затем выберите две случайные и нарисуйте в них точку – это два тела из проблемы двух тел. Мы пометим их как A и B. Что мы собираемся сделать? Смоделировать их эволюцию исходя из того, что они подчиняются законам физики. В этом случае мы просто учтем гравитацию.

Представим простейший случай, когда частицы А и В изначально находятся в состоянии покоя и каждая имеет единичную массу. Если мы предположим, что гравитация может быть описана в определениях Ньютона (классический взгляд), тогда каждая частица испытывает силу, которая равна ее массе, умноженной на постоянный фактор (называемый G – универсальная гравитационная постоянная; точные ее цифры в этой модели значения не имеют) и разделенной на квадрат расстояния между частицами. Каждая частица испытывает воздействие этой силы и вынуждена двигаться, потому что сила вызывает ускорение в направлении другой частицы; величина ускорения равна силе гравитации, разделенной на массу частицы (один из законов движения Ньютона).

Далее возьмем еще один листок, перерисуем сетку и затем вычислим местоположение этих частиц, предполагая, что прошел некоторый интервал времени. Мы можем сделать этот интервал настолько длинным или коротким, насколько захотим, но чем он короче, тем точнее мы можем отслеживать положение частиц. Затем мы повторяем процесс: вычисляем силу для каждой частицы, ускорение, добавляем это к текущей скорости каждой частицы и т. д. В этом примере результаты скучны: две частицы просто притягиваются друг к другу и, следовательно, ускоряются навстречу друг другу, что приводит к установившемуся состоянию, когда частицы оказываются сцепленными между собой – наше моделирование ничего не знает о физике столкновений между частицами.

Все становится значительно интереснее, когда мы добавляем другую частицу – теперь мы имеем дело с проблемой трех тел. Поскольку гравитация действует на все объекты с массой, мы должны рассчитать общую силу для каждой тестовой частицы, заданную векторной суммой гравитационной силы между каждой парой: A – B, A – C, B – A, B – C, C – A и C – B. И внезапно это стало немного сложнее с точки зрения количества вычислений, которые нам нужно сделать для предсказания эволюции системы. Теперь вместо того чтобы работать в двух измерениях, давайте рассмотрим все то же самое в трех. И вместо трех тестовых частиц будем использовать миллионы. Именно здесь нам и понадобятся суперкомпьютеры.

Космологические симуляции N-тела не направлены на моделирование эволюции каждой частицы во Вселенной. Вместо этого отдельная частица может представлять довольно большой кусок массы, и если ваша цель состоит в моделировании эволюции крупномасштабной структуры Вселенной, то такое грубое «разрешение» вполне уместно: оно позволяет замаскировать тонкие структурные детали, скажем, отдельной галактики или солнечной системы. Если вы действительно хотите смоделировать в мельчайших деталях что-то похожее на отдельную галактику, то с эквивалентным количеством частиц это сделать можно, но ценой отказа от имитации остальной части Вселенной, потому что теперь вы должны работать с гораздо меньшим объемом. Общее число частиц, которые могут быть смоделированы, зависит от мощности компьютера: для эффективного расчета сил, действующих на каждую частицу, были разработаны умные алгоритмы, например «древовидные коды» и «метод частиц в ячейках» без использования метода полного перебора (или «грубой силы»).

Одна из самых известных и успешных в последние годы симуляций темной материи в N-теле называется «Моделирование “Миллениум”» – это проект, который реализует международная группа университетов под названием «Консорциум Девы» во главе с Институтом вычислительной космологии Даремского университета в Великобритании и Институтом астрофизики имени Макса Планка в Гархинге (Германия). Многие исследовательские группы проводят собственные симуляции, но проект «Моделирование “Миллениум”» стал одним из самых известных. Цель проекта – моделирование эволюции темной материи на большом участке игрушечной «Вселенной»– коробке размером 500 Мпк – с использованием 10 млрд частиц для представления темной материи, причем масса каждой в 90 млн раз больше массы Солнца. Таким образом, в этом моделировании отдельная галактика может содержать 100 или более частиц. Гало темной материи, которое может находиться в галактике, определяется как сгусток темной материи, в пределах которого плотность превышает некоторое пороговое значение, обычно принимаемое за 200 с лишним единиц от средней плотности Вселенной. Такое разделение на гало – удобный способ описания структуры во Вселенной, по крайней мере в моделируемой Вселенной.

«Моделирование “Миллениум”» было самой большой из когда-либо проводившихся симуляций N-тела. Проект работал почти месяц в режиме реального времени на 512 процессорных ядрах суперкомпьютера IBM, что эквивалентно 350 000 часов или почти четырем годам времени работы процессора. Моделирование использовало 1000 Гб физической памяти, выполнило почти миллиард миллиардов операций с плавающей запятой и собрало 20 Тб данных. Суть проекта – увидеть, как смоделированная Вселенная, состоящая только из темной материи, будет из начальных условий развиваться в соответствии с физикой входных данных, что было нашим лучшим предположением, учитывая параметры модели «Лямбда-CDM». Как формируется структура от почти плавного распределения материи в начале Вселенной до сложной сети в наши дни? Как растут гало темной материи? Каково распределение масс гало темной материи и как оно развивается? Моделирование дает нам способ визуализировать теорию и исследовать ее предсказания так, как мы никогда не сможем, вооружившись лишь ручкой и бумагой.

Когда мы смотрим на эволюцию темной материи в проекте «Моделирование “Миллениум”», то становится понятно, как богатая иерархическая структура развивалась от гладкой отправной точки: сложная среда – космические сети – существующие формы. Вы можете наблюдать коллапс вещества на участках, где начальные условия обладали немного большей плотностью, которая со временем накапливалась за счет сбора небольших скоплений. Со временем самые большие гало, представляющие кластеры, выделяются как самые плотные узлы во всепроникающей решетке структуры. Внутри и вокруг больших гало находятся меньшие субгало, образующие иерархию, начинающуюся с карликовых спутников вокруг больших галактик, которые, в свою очередь, объединяются в более крупную структуру. Моделирование N-тел показывает повторяющиеся слияния гало – события, которые мы видим в населении галактик вокруг нас как катастрофическое столкновение целых звездных систем, глубоко меняющее историю этих галактик. Это обычные, рутинные события в модели, просто естественная часть эволюции структуры.

В реальной Вселенной, конечно, мы видим только барионы. Мы видим массивные гало скоплений, заполненных горячим газом, а внутри них – сотни или тысячи светящихся галактик. Моделирование N-тела может справиться с темной материей, которая хорошо описывает структуру, но как насчет тех барионов, которые мы видим как светящуюся материю?

Барионы также могут быть смоделированы с использованием частиц, но на этот раз вместо действующей на них гравитации мы должны включить дополнительную физику: частицам нужно «рассказать», например, о правилах термодинамики, механики жидкости и переноса излучения. Техника, которая здесь применяется, называется гидродинамикой сглаженных частиц и вычисляет свойства жидкости в любой точке сетки моделирования по вкладу многих частиц, свойства которых были сглажены (усреднены) по их локальному объему. В космологических гидросимуляциях можно отслеживать эволюцию жидкости – первичного газа – и то, как она развивается вместе с темной материей. Физика барионов очень сложна, и поэтому ее моделирование с точки зрения вычислительной мощности (часто решаются меньшие объемы) обходится довольно дорого.

На этом изображении показан тот же объем Вселенной, что и в проекте «Моделирование “Миллениум”», но рассмотренный в более раннюю эпоху (то есть так, как он бы выглядел при большом красном смещении). Структуры находятся в процессе разрушения, а центральное массивное гало еще не сформировалось должным образом – в настоящее время мы видим сеть нитей и меньших гало, которые постепенно приобретают форму. Внегалактические астрономы, оглядываясь назад во времени, стремятся понять, как круг галактик, которые мы на самом деле видим, расширился по отношению к этому скрытому темному «скелету» Вселенной

Как и во всех симуляциях, в гидродинамике сглаженных частиц есть порог разрешения. При моделировании космологического объема недостаточно разрешения для моделирования физики, скажем, звездообразующего облака в отдельной галактике. Можно увидеть, как газ перетекает в сгусток темной материи, достигая высокой плотности, но после этого мы должны использовать короткий путь, чтобы предсказать, сколько звезд образуется и с какой скоростью. Это называется физикой подсетей, потому что она требует предположений об эволюции в меньшем масштабе, чем может «увидеть» симуляция.

Когда к этим симуляциям добавляется газ, можно отслеживать его коэволюцию с темной материей. По мере того как гало темной материи растут от начальных возмущений в поле гладкой материи, часть газа «перетекает», притягиваясь той же самой неразличимой силой тяжести. Мы можем наблюдать за рождением галактик, анализируя, как газ направляется в гравитационную яму и как на него влияют процессы вроде образования звезд, вспышек сверхновых и роста черных дыр. Но моделирования показывают, что в гало не так много газа; он притягивается и ускоряется в направлении крупномасштабной волокнистой структуры, которая также формируется в объеме, обладающем значительной силой притяжения.

Также моделирование показывает, что во время этого процесса газ нагревается. Уровень нагрева в некоторой степени зависит от общей гравитационной энергии системы, поэтому газ, который всасывается в плотные кластеры, нагревается больше всего, вплоть до рентгеновских световых температур. Газ, поступающий в нити, нагревается только до нескольких миллионов градусов – это тепло-горячая межгалактическая среда. При этом распасться на галактики, образующиеся внутри этих нитей, газ может только после потери части этой энергии, что предотвращает конденсацию в галактиках значительной части общей массы барионов во Вселенной. Конечно, существует постоянный обмен: некоторая часть газа охлаждается в галактиках, обеспечивая новый источник топлива для формирования звезд. В то же время, однако, газ выбрасывается, и энергия возвращается в межгалактическую среду от самих галактик (как излучение от звезд, так и кинетическая энергия от потоков, как мы видели в M82). Так что за эти барионы идет непрерывная битва посредством гравитации и конкурирующих сил галактической обратной связи.

Рентгеновские и ультрафиолетовые исследования линий поглощения в некотором роде подтверждают существование неуловимого барионного компонента Вселенной. Эти наблюдения довольно сложны, и существует ограниченное количество элементарных «видов», которые можно использовать в качестве зондов, давая нам ограниченную картину тепло-горячих межгалактических сред. Хуже всего то, что для исследования линий с подсветкой требуется что-то яркое на заднем плане, чтобы на переднем мы могли увидеть контраст поглощающего вещества. В большинстве случаев «что-то яркое» – это далекие светящиеся квазары. Случайные выравнивания далеких квазаров с плотными частями тепло-горячих межгалактических сред редки, что еще сильнее ограничивает эти исследования «карандашами» – пучками лучей, исходящими от Земли. Это пример модели и моделирования, дающих четкий прогноз об эволюции и распределении газа во Вселенной, который можно проверить на основании наблюдений. Если тепло-горячие межгалактические среды обнаруживаются, то их трудно наблюдать, и требуются длительные экспозиции с помощью космических средств, главным образом спектрографа космического происхождения космического телескопа «Хаббл», который работает в УФ-диапазонах, или таких рентгеновских телескопов, как «Чандра» и ХММ-Newton, которые могут работать в рентгеновском спектре. Успешные находки (например, в Стене Скульптора) могут быть использованы при моделировании, обеспечивая жизненно важные эмпирические доказательства изобилия и распространения этого неуловимого материала. И это прекрасный пример теории и наблюдения, работающих вместе для развития наших знаний.

Существуют и некоторые противоречия между наблюдениями и числовыми моделями. Я упоминал выше, что симуляции N-тела ограничены разрешением: вы можете моделировать большой кусок Вселенной, содержащий миллионы галактик, но не можете моделировать сами галактики с огромным количеством деталей. В качестве альтернативы можно выбрать модель одной галактики с высоким разрешением, но не ее крупномасштабную среду. Моделирование очень большого N-тела было выполнено для изучения эволюции темной материи в отдельных галактиках или, скорее, гало, которые похожи на Млечный Путь. Техника заключается в том, чтобы взять симуляцию Вселенной в большом объеме, например «Моделирование “Миллениум”», а затем определить несколько галактик, которые вы хотите симулировать более подробно. Узнав местоположение этих систем, вы можете запустить новую симуляцию с той же физической моделью и начальными условиями, но просто сфокусированными на этих галактиках.

Один из последних проектов, перед которыми были поставлены такие цели, называется «Водолей»: для него отобрали шесть примеров гало, сформировавшихся в «Моделировании “Миллениум”», которые, как считается, аналогичны нашему Млечному Пути. В рамках этого проекта также проводятся новые симуляции N-тел, в которых используется до 200 млн частиц темной материи, представляющих каждую из этих систем (одна симуляция моделировала одно из гало с еще более высоким разрешением – с 1,5 млрд частиц). Результаты прекрасны (показаны сложные детали в распределении темной материи в гало), но все же не безупречны. Одна из проблем заключается в том, что при наблюдении структур гало галактик, похожих на Млечный Путь, в них обнаруживается огромное количество подструктур. Предполагается, что субгало – часть иерархической природы структурообразования – точно так же, как гало массивного скопления галактик, содержит субгало (совокупность отдельных галактик внутри него), одно гало галактики содержит дополнительные субгало. Мы знаем, что эта гало-субструктура существует, потому что вокруг галактик, подобных нашей, есть очевидные спутники, какими, например, являются самые большие спутники Млечного Пути – Большое и Малое Магеллановы Облака. Проблема заключается в их количестве, которое появляется в симуляциях. Наша Галактика не окружена тысячами спутников-карликов – по крайней мере, при доступном нам наблюдении их можно пересчитать по пальцам. Это явление называется «проблема исчезнувших карликовых галактик-спутников».

Одно из решений может дать физика барионов – поток газа и электромагнитное излучение в этих гало. Важно помнить, что симуляция N-тела показывает нам только эволюцию темной материи: эту материю на практике мы не видим, только ее гравитационные эффекты (по крайней мере, на данный момент). Возможно, эти спутники из темной материи действительно существуют, окружают галактику и вращаются вокруг нее, но при этом не содержат звезд или газа, как деревни-призраки в пригороде. Есть ли правдоподобное физическое объяснение, подтверждающее эту гипотезу? Как мы знаем, скопления темной материи аккрецируют барионы под действием силы тяжести, создавая залежи газа. Тем не менее этот газ можно удалить, если к барионам применить силу, которая позволит им преодолеть гравитационное сцепление.

Некоторые компьютерные симуляции также отслеживают эволюцию «нормальной» и темной материй. Это изображение показывает галактику, которая сформировалась в моделируемой Вселенной, заполненной всеми элементами, которые, исходя из наших знаний о космологии и физике формирования галактик, должны в ней содержаться. Красные цвета и потоки показывают прохладный газ, текущий в центральный зарождающийся диск, который образует звезды. Синие цвета и потоки – горячий газ, выходящий из диска и формирующий горячее гало вокруг галактики. Формирование галактики связано с потоками газа, направленными в галактику и из нее: понимание этого цикла – именно та часть исследований, как наблюдательных, так и теоретических, к которой сейчас прилагается особенно много усилий

Поскольку сила гравитационного захвата зависит от массы, легче удалить газ из гало с малой массой (например, из галактик-спутников в моделировании), чем из более массивных (таких, как родительское гало, с которым связана субструктура).

Рассмотрим формирование галактики, подобной Млечному Пути. Большое гало образуется в результате срастания небольших скоплений темной материи, постепенно создавая массивное гало, которое окружено множеством субгало. В то же время в них накапливаются барионы – газ. В самой плотной – центральной – части гало существует основа, которая станет диском галактики, а вокруг диска начинают формироваться протоспутники.

В какой-то момент в галактике запускается процесс формирования звезд. Вполне возможно, что звезды, которые образуются внутри отдельного субгало (карликовой галактики), через несколько миллионов лет при взрыве первых сверхновых истребят в нем весь газ. Фактически они погасят сами себя: энергия, выделяемая сверхновыми, сопоставима с энергией гравитационной связи карлика или даже больше нее. Образование звезд, происходящее в развивающемся диске, также оказывает давление на окружающих карликов, омывая их звездным излучением и взрывая их ветром от сверхновых и звезд. Если в центре галактики начинает расти сверхмассивная черная дыра, то может высвобождаться еще больше энергии обратной связи. Как песчаный замок, который смывает прилив, газ может быть удален из субгало. Если верить наблюдениям, некоторые из более массивных спутников могут сохранять часть своего газа, образуя видимых компаньонов, которые сохранятся до наших дней. Конечно, это всего лишь гипотеза; возможно, симуляции неправильны и создают слишком много субструктур во Вселенной. Сложившееся положение в парадигме «Лямбда-CDM» – источник хоть и беспокойства, но все же не паники, и напоминает нам что еще мы должны сделать.

Возможно, природа темной материи отличается от описанной нами модели: прелесть симуляций в том и заключается, что вы можете перестроить Вселенную с новым набором правил. Например, если сделать темную материю немного теплее, то та же симуляция Водолея не даст столько субгало, и эта картина будет более точно соответствовать количеству спутников, реально наблюдаемых в природе, что может оказаться важной подсказкой. Пока у нас нет эмпирических данных о свойствах самой темной материи (например, что это за частица) или наблюдениях, которые могут указывать на точность той или иной модели, она остается одной из главных загадок формирования галактик.

Изображение показывает распределение и температуру газа в большой части моделируемой Вселенной: более яркие белые оттенки – это области, где газ горячий (миллионы градусов), тогда как красно-оранжевые цвета обозначают более холодные области. Изучая потоки газа в галактике в ходе компьютерного моделирования, мы надеемся лучше понять процессы формирования и эволюции галактик при взаимодействии гравитационных сил и обратной связи, возникающей, когда звезды и черные дыры выбрасывают огромное количество энергии в окружающую среду

Теория и моделирование позволили нам исследовать процесс образования галактик из изначального хаоса, используя наилучшие предположения для рассматриваемой физики. Больше всего меня удивляет в нем то, как очень сложные системы со структурой и порядком в огромном диапазоне масштабов эволюционировали из начальных условий с помощью набора относительно простых правил, управляющих движением и поведением самых базовых элементов – частиц материи.

Самая наглядная иллюстрация этого – красивые спиральные рукава галактик в нашей части Вселенной. Как эти световые вертушки сформировались и продолжают существовать?

Формирование галактик

Мы говорили о том, как галактики первоначально образовались в результате коллапса флуктуаций плотности в море материи. Газ, направленный в одну из этих «избыточных плотностей», может образовать сплющенный вращающийся диск, потому что общий сгусток вещества, из которого коллапсировала протогалактика, имел большой момент импульса: он вращался из-за гравитационных приливных моментов и взаимодействий внутри большого объема распределяющейся материи. По мере того как гало подвергается действию гравитации, этот момент сохраняется (одно из основных правил физики, знакомое по школе), и галактика «раскручивается», сокращаясь и уменьшаясь в радиусе. При таком вращении барионы оседают на вращающемся диске, напоминающем раскручиваемый кусок теста для пиццы.

Центробежные силы действуют на газ во вращающемся диске, выталкивая его в радиальном направлении наружу и против действия силы тяжести, предотвращая его коллапс в единый комок. Если момент импульса не потерян, галактика может сохранять диск в течение длительных периодов. Это каноническая картина. Хотя точная физика формирования диска немного сложнее, это основное представление, которое объясняет существование дисковых галактик, подобных нашей. Поскольку в диске присутствует дифференциальное вращение (это не твердое тело; газ относительно свободно связан внутри самого диска), спиральные рукава могут образовываться из-за возмущений плотности, которые распространяются через вращающийся диск. Газ и новые звезды, которые находятся на орбите центра галактики, могут накапливаться в виде пятен при прохождении волны плотности. Источником волны может стать случайное возмущение гравитации или диска, вызванное, например, соседним гало, или аккреция спутника.

Часто приводимая аналогия – автомобили, которые образуют локализованную, медленно распространяющуюся пробку на автомагистрали, вызванную, возможно, медленным движением какой-то из машин. Проходя мимо быстро движущихся автомобилей (некоторые обгоняют, некоторые застряли сзади), мы сталкиваемся с небольшим скоплением людей, которые могут распространяться вдоль дороги. Медленно движущаяся машина похожа на волну плотности, и когда она распространяется через диск, вокруг него могут образовываться газ и звезды. Однако поскольку диск также вращается по-разному, сгустки газа и звезд намотаны в виде спирали. Эти ветви выделяются еще больше, потому что увеличение плотности газа приводит к увеличению скорости звездообразования (волны плотности могут инициировать образование звезд, вызывая разрушение газомолекулярных облаков). Поэтому в спиральных галактиках мы видим, что их рукава полны ярких синих звезд и пятен эмиссии ионизированного газа.

Если момент импульса диска рассеян (например, в результате слияния двух галактик) вращательная поддержка будет потеряна, а система превратится в нечто, больше похожее на балдж или эллиптическую галактику, форма которой определяется тем фактом, что звезды перемещаются на случайные, а не круглые орбиты вокруг общей массы. Эти системы называются системами с «поддержкой под давлением» или «с преобладанием дисперсии». Одними из таких систем являются эллиптические галактики: это продукт накопления большого количества слияний в начале их истории, стерших любое упорядоченное вращение, которое когда-то могли иметь составляющие их звезды. Кстати, эта бурная ранняя история может также объяснить их старый звездный возраст: если слияния произошли в начале эволюции эллиптических галактик (которые образуются в самых плотных средах), то это могло вызвать интенсивный рост звездообразования, очень быстро истощая бо́льшую часть газа.

Образование балджа дисковой галактики, не поддерживаемой вращением, – немного спорный вопрос. Некоторые балджи могут принимать миниатюрные эллиптические формы в результате незначительного слияния с небольшими системами в начале истории галактики. Классический балдж может затем приобрести диск путем аккреции свежего газа способом, описанным выше. Однако балджи могут расти и со временем, так как газ и звезды направляются и транспортируются в центр галактики через динамические неустойчивости, вызывающие потерю момента импульса. Достигнув высокой плотности, ядерное звездообразование может быть запущено с депозицией звездной массы в ядре и раздутием того, что называется псевдобалджем. Вполне вероятно, что галактические балджи образуются в результате и того, и другого процесса – в Рим ведет много дорог.

Шаги вперед

Поле эволюции галактик – одна из самых ярких иллюстраций мощи науки как инструмента для понимания мира. Мы начали с простого вопроса: что это за слабые туманности между звездами? У нас были идеи, правильные и неправильные, но именно простое, осторожное и тщательное наблюдение неба содержало ключ к осознанию того, что эти блики – внешние независимые звездные системы, отделенные от нас почти невероятным космическим пространством. Затем мы обнаружили, что существуют разные типы галактик и что они не статичны, а движутся относительно нас, удаляясь от Земли со скоростью, которая увеличивается с расстоянием. В замечательный период начала XX века само наше представление о Вселенной изменилось. Космос оказался намного больше и богаче, чем наши предки могли представить. Мы сделали огромный шаг вперед как вид.

Теперь, в начале XXI века, когда после тех первых шагов сменилось уже несколько поколений астрономов, мы значительно расширили эту картину, рассматривая галактики глубже, дальше и более детально. Мы сделали карты всего неба на разных длинах волн света, обнаружив миллионы галактик и отобразив их распределение по группам, филаментам и скоплениям (и даже скоплениям скоплений). Мы изобразили глубокие, хотя и маленькие участки неба, похожие на замочные скважины во времени, чтобы исследовать момент, когда Вселенная находилась в зачаточном состоянии, когда она составляла собой примерно десятую часть своего нынешнего размера, через полмиллиарда лет после Большого взрыва. Мы измерили, как галактики изменились за всю космическую историю, определили их химию, состав, форму и динамику и сформулировали это в единой теоретической модели, которая, как нам сейчас представляется, точно описывает крупномасштабную эволюцию Вселенной в целом.

И все же кажется, что мы только-только сделали первый шаг. В космосе так много всего, что нужно знать. Следующие два десятилетия станут свидетелями значительных достижений, которые превзойдут все, что мы узнали до сих пор, – как в результате проведения наблюдений, так и при построении теоретических моделей.

Следующее поколение телескопов разрабатывается и изготавливается с одной простой целью – видеть более четко, чем сейчас. Мы уже упоминали комплекс радиотелескопов ALMA, простирающийся на 16 км в пустыне Атакама, который позволит нам измерить химический состав и динамику холодных межзвездных сред, холодного газа и пыли в звездообразующих галактиках через космическое время. В результате наблюдений за молекулярным топливом, образовавшим все звезды, которые мы видим вокруг нас, атакамский комплекс дополнит «недостающее звено» эволюции галактик. Хотя сегодня уже существуют телескопы, которые позволяют нам обнаруживать газ в далеких галактиках, пока мы ограничены только самыми яркими галактиками – с наибольшим количеством газа. ALMA– это большой шаг вперед, который позволит обнаруживать газ в галактике, подобной Млечному Пути и видимой всего через несколько миллиардов лет после Большого взрыва. Перед нами – неизведанная территория для изучения эволюции галактик.

Одним из таких движущих науку инструментов станет и SKA (от англ. Square Kilometre Array – «[Антенная] решетка [площадью] в квадратный километр») – международный проект по созданию крупнейшего в мире радиоинтерферометра. SKA – радиотелескоп с площадью сбора в миллион квадратных метров, достаточно чувствительный, чтобы «обнаружить радиосигнал от радаров аэропорта на планете, удаленной на 50 световых лет». После завершения этот комплекс станет переломным моментом в радиоастрономии. Его строительство еще не закончено, но уже готовы два радиотелескопа, входящие в состав большого радиотелескопа Pathfinder («Следопыт»), – прототипы технологии SKA – MeerKAT и ASKAP, расположенные в Южной Африке и Австралии соответственно. Эти «следопыты»– самые мощные из когда-либо созданных радиотелескопов, способные обнаруживать почти каждую звездообразующую галактику и активное ядро галактики за почти половину истории Вселенной. Мы находимся на пороге сокровищницы с неисчислимыми богатствами.

В оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах планируется построить чрезвычайно большие телескопы, которые смогут затмить самые большие из тех, что существуют сегодня, увеличив площадь сбора до гигантов с зеркалами диаметром 30–50 м. Эти громадные «световые ведра», чувствительность которых намного превзойдет все, с чем мы работали прежде, позволят нам обнаружить и измерить звезды в еще более отдаленных галактиках. Также будут проводиться новые «синоптические» съемки благодаря созданию Большого синоптического обзорного телескопа (англ. Large Synoptic Survey Telescope, LSST), который будет многократно снимать большую часть неба, не только выстраивая обширное и глубокое изображение, которое обнаружит миллионы галактик, но и создавая своеобразный фильм о Вселенной, куда каждый снимок будет добавлять еще один кадр. Это позволит Большому синоптическому обзорному телескопу вести охоту на сверхновые и другие преходящие явления, которые мерцают, по мере того как телескоп строит свое изображение Вселенной с большой выдержкой на протяжении десятилетия.

В космосе мы, как я надеюсь, увидим преемника космического телескопа «Хаббл» – космический телескоп «Вебб» (назван вчесть Джеймса Вебба— второго администратора NASA, важного члена миссии «Аполлон»). Размещенный в космосе в 1 млн км от Земли, он будет работать в ближней инфракрасной части спектра, собирая свет с помощью 6,5-метрового зеркала, составленного из мозаики сегментов, которые развернутся, как только телескоп окажется в космосе. Когда этот телескоп «откроет глаза»[5], он заглянет в темные века, обнаружив галактики близко к тому времени, когда засияли первые звезды. Будут отправлены и другие телескопы-спутники: «Гайя» уже отображает местоположения полумиллиарда звезд в нашей Галактике, а «Евклид» – будет обозревать все небо на близких к инфракрасным длинах волн, обнаружив при этом миллионы далеких звездообразующих галактик, статистическое распределение которых предоставит информацию о природе темной энергии. Астрономы постоянно придумывают новые эксперименты и миссии, некоторые из которых смогут осуществиться только десятилетия спустя. Судьба этих надежд зависит от наличия необходимых технологий, неустойчивых колебаний экономического климата, от международного сотрудничества, а также от политических и общественных настроений по отношению к инвестициям в науку.

Каждая панель сосредоточена на далекой галактике в пределах глубокого южного поля обзора телескопа «Чандра». Некоторые из этих галактик свидетельствуют о гравитационных взаимодействиях и слияниях с нарушенной морфологией и звездными потоками – обычный процесс эволюции галактик. Почти каждое пятнышко света на этих изображениях отражает излучение бесчисленных, даже более отдаленных галактик. Внегалактические астрономы используют такие глубокие поля обзора, чтобы изучать большие выборки далеких галактик, используя тот факт, что свету требуется значительное время для путешествия через Вселенную к нашим телескопам и детекторам. Это буквально позволяет нам заглянуть в прошлое. Терпеливо наблюдая за Вселенной, мы создали всеобъемлющую, хотя и не полную картину того, как галактики формировались и развивались в течение почти 14 млрд лет космической истории. Мы многому научились, но великие открытия все еще впереди

Эта коллекция пикселей представляет собой свет одной из самых отдаленных и, следовательно, самых ранних из известных галактик. По мере того как мы смотрим дальше, астрономия становится все труднее, ведь сигнал, идущий от далеких галактик, буквально затемнен астрономическими расстояниями между Землей и этими обширными космическими источниками. Открывая их, мы заглядываем в прошлое, поскольку свет, который сейчас улавливают наши детекторы, покинул свои галактики миллиарды лет назад

Помимо крупных проектов, продвигающих нас вперед, конечно, будет продолжаться и разработка новых приборов для уже существующих телескопов, например производство новых камер и спектрографов с еще более высокой чувствительностью, а также новых методов наблюдения. По мере развития технологий наблюдения будет расти и мощность компьютеров, а стоимость оборудования будет снижаться, что позволит проводить более сложные моделирования с более высоким разрешением и большими размерами, исследовать и тестировать наши модели, а также сравнивать и помогать интерпретировать эмпирические данные, скорость появления которых от стадии реки уже перешла к бурному потоку.

Благодаря этим усилиям наша модель мира будет постоянно совершенствоваться. Если в начале XX века модель Вселенной представляла собой деформированный комок мрамора, то к середине XXI века мы сотворим «Давида» Микеланджело. Быть внегалактическим астрономом никогда еще не было так увлекательно, как сейчас. Ожидая новые открытия, мы продолжаем приключение, которое благодаря постоянному труду науки раскрывает тайны Вселенной. Статуя всегда скрывается в недрах камня.

Шкала расстояний

1 миллипарсек (мпк) = 0,001 пк

1 килопарсек (кпк) = 1000 пк

1 мегапарсек (Мпк) = 1 000 000 пк

1 гигапарсек (Гпк) = 1 000 000 000 000 пк

Значения в скобках соответствуют шкале, где расстояние от Земли до Солнца составляет 1 мм

Расстояние от Земли до Луны – 0,00001 мпк (0,003 мм)

Расстояние от Земли до Солнца – 0,005 мпк (1 мм)

Диаметр Солнечной системы (до гелиопаузы)[6] – 1 мпк (20 см)

Расстояние от Солнца до Проксимы Центавра – 1,3 пк (270 м)

Расстояние от Солнца до туманности Ориона – 410 пк (85 км)

Диаметр Бетельгейзе – 0,05 мпк (1 см)

Диаметр туманности Ориона – 6 пк (1,2 км)

Расстояние от Солнца до скопления 47 Тукана – 5,1 кпк (1050 км)

Диаметр скопления 47 Тукан – 37 пк (7,6 км)

Расстояние от Солнца до центра Млечного Пути – 8 кпк (1650 км)

Толщина звездного диска Млечного Пути – 300 пк (60 км)

Диаметр диска Млечного Пути – 30 кпк (6200 км)

Радиус балджа Млечного Пути – 5 кпк (1000 км)

Расстояние от Солнца до Магеллановых Облаков – 50 кпк (10 300 км)

Расстояние от Млечного Пути до галактики Андромеды – 780 кпк (160 000 км)

Приблизительный диаметр Местной группы галактик – 3 Мпк (620 000 км)

Расстояние от Млечного Пути до скопления Девы – 16,5 Мпк (3,4 млн км)

Диаметр скопления Девы – 2 Мпк (400 000 км)

Расстояние от Млечного Пути до кластера Кома – 100 Мпк (21 млн км)

Диаметр кластера Кома – 6 Мпк (1,2 млн км)

Сопутствующее расстояние[7]до самой отдаленной галактики – 10 Гпк (2 млрд км)

Время прохождения света от самой далекой галактики – 13,3 млрд лет

Глоссарий

Адаптивная оптика – метод компенсации искажающего воздействия атмосферы Земли, ограничивающей разрешение изображений, которые могут быть получены с поверхности планеты.

Активное ядро галактики – ядро галактики, содержащей активно аккрецирующую сверхмассивную черную дыру. Этот процесс приводит к испусканию большого количества энергии, по мере того как материя нагревается во время прохождения вблизи черной дыры или падения внутрь нее.

Атомарный газ – газ, состоящий не из молекул, а из отдельных атомов, например водорода.

Барионы – класс материала, который характеризует «нормальную» материю, в том числе атомы. По массе барионы составляют только 5 % Вселенной.

Белый карлик – компактные останки звезды, образовавшиеся в конце ее жизни (часто находится в центре расширенной туманности, которая представляет собой удаленные внешние слои звезды).

Ближний инфракрасный свет – часть электромагнитного спектра с длинами волн (частот) длиннее (ниже) оптического/видимого света. Космические источники – наиболее старые, легкие и холодные звезды.

Внутрикластерная среда – пространство между галактиками внутри их скопления.

Главная последовательность – узкий локус на графике зависимости светимости от цвета (диаграмма Герцшпрунга – Рассела) для звезд разных масс, представляющий фазу горения водорода в эволюции звезд.

Гравитационное линзирование – эффект искажения и увеличения фона источника, наблюдаемого вдоль линии видимости массивной структуры, например скопления галактик. Эффект возникает из-за гравитационной деформации пространства-времени. Линзирование позволяет нам не только подробно изучать очень далекие галактики, но и измерять общую массу объекта, включая темную материю, действуя как линза.

Дальний инфракрасный / субмиллиметровый свет – часть электромагнитного спектра за пределами среднего инфракрасного света с длиной волны от 100 микрон до 1 мм. Космический источник – холодная пыль (несколько десятков градусов).

Ионизация – процесс, в результате которого электрон в атоме может быть удален, когда атомом поглощается фотон с достаточной энергией.

Карликовая галактика – галактика с малой массой, часто являющаяся спутником более крупной галактики. Карликовые галактики обычно иррегулярны, то есть отличаются неправильной формой; в них могут быстро образовываться звезды.

Квазар, или квазизвездный объект, – класс галактик, в которых преобладает излучение энергии в результате активности сверхмассивной черной дыры. Квазары появляются на небе как точки света (или звезды) со следами родительских галактик. Поскольку они очень яркие, квазары можно увидеть на огромных космических расстояниях. Квазары представляют собой важный этап формирования массивных галактик.

Красный гигант – поздняя стадия эволюции звезды после сжигания водорода, когда ее внешняя атмосфера становится сильно растянутой.

Красное смещение – термин, обозначающий наблюдаемое увеличение длины волны (или эквивалентное уменьшение частоты) в свете, излучаемом телом, которое удаляется от нашего места наблюдения. Космологическое красное смещение возникает потому, что Вселенная расширяется: испущенный далекими галактиками свет возник, когда Вселенная занимала лишь часть своего нынешнего размера. За прошедшее время Вселенная расширилась, поэтому галактики кажутся удаляющимися.

Линия излучения (эмиссии) – всплеск наблюдаемого спектра газового облака, звезды или всей галактики, соответствующий конкретному переходу электронов между различными энергетическими состояниями в атом. Энергия перехода определяет длину волны или частоту линии. Области HII вокруг вновь образующихся звезд излучают яркий свет ионизированного водорода II: газ заряжается УФ-светом, исходящим от молодых массивных звезд, которые только зажглись.

Линия поглощения – провал в наблюдаемом спектре звезды или галактики из-за поглощения света определенным элементом на определенной частоте. Как и в случае эмиссионных линий, точная длина волны или частота линии поглощения определяется энергией поглощенного фотона. Спектр Солнца раскрывает много темных полос поглощения, которые соответствуют присутствию таких металлов, как кальций и натрий, а также поглощение атомом водорода. Линии эмиссии и поглощения могут раскрыть информацию о химическом составе и динамическом состоянии галактики, а также о ее красном смещении.

Межгалактический – находящийся в пространстве между галактиками.

Межзвездный – находящийся в пространстве между звездами в галактике.

Местная группа галактик – локальная область пространства вокруг Млечного Пути, содержащая несколько десятков галактик, в том числе галактику M31 (Андромеды).

Молекулярный газ – газовые облака, состоящие в основном из молекул водорода, в которых два атома водорода связаны друг с другом. Из этого газа состоят гигантские молекулярные облака – места, где могут сформироваться новые звезды.

Нейтральный газ – фаза газа, атомы которого не были ионизированы.

Нуклеосинтез – процесс образования ядер элементов. Легкие элементы (водород, гелий, литий) образовались вскоре после Большого взрыва, а более тяжелые сформировались в звездах либо во время их горения, либо (в случае некоторых звезд, в частности сверхновых) в ходе их взрыва.

Обратная связь – процессы, выделяющие энергию в межзвездную (и межгалактическую) среду, которые могут изменить или иным образом повлиять на гравитационный коллапс газа, контролируя таким образом формирование звезд. Эти процессы могут включать звездные ветры, дующие с поверхностей горячих звезд, взрывное выделение энергии при вспышке сверхновых или мощные струи, возникающие из активно аккрецирующей сверхмассивной черной дыры в центре массивной галактики. Обратная связь – критический компонент в современной модели эволюции галактик, который ограничивает гравитационный коллапс газа в звезды.

Оптический, или видимый, свет – часть электромагнитного спектра, которую воспринимают глаза человека. Космические источники – типичные звезды (например, Солнце) и свет от ионизированного водородного газа.

Параллакс – видимое изменение положения объекта относительно фиксированного фона, если смотреть вдоль разных линий взгляда.

Парсек (пк) – сокращение от «параллакс» и «секунда»; базовая единица расстояния в астрономии, эквивалентная 3,26 светового года, или 30,9 млрд км.

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) – астрономический рабочий инструмент, занимающий место фотопластинки для записи света. Такие устройства построены с использованием полупроводниковых материалов и, по сути, представляют собой двумерный массив отдельных детекторов (пикселей), которые генерируют небольшой электрический заряд при воздействии света. Количество измеренного заряда может быть преобразовано во входящий поток, обеспечивая таким образом изображения астрономических источников. ПЗС работает в ультрафиолетовом, оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра.

Поверхность последнего рассеивания – в эпоху рекомбинации фотоны, запертые внутри горячей плазмы, были выпущены и свободно рассеялись по всей Вселенной. Мы обнаруживаем их как космический микроволновый фон, или реликтовое излучение, и это самый дальний свет, который мы можем увидеть. Такие спутники, как WMAP (от англ. Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – Микроволновой анизотропный разведчик «Уилкинсон», космический аппарат NASA, предназначенный для изучения реликтового излучения) и космическая обсерватория «Планк» (астрономический спутник Европейского космического агентства), нанесли на карту реликтовое излучение и выявили в его температуре изменения, соответствующие флуктуациям плотности, которые представляют собой начальные точки формирования галактик.

Последовательность Хаббла – схема классификации, которая идентифицирует галактики по их морфологическим типам. Основные типы: эллиптическая, линзовидная, спиральная и спиральная с перемычкой (баром).

Поток – постоянно поступающая энергия от отдаленного источника, наблюдаемая через детектор (например, ПЗС-камеру) и измеряемая в единицах ватт на квадратный метр.

Радиогалактика – галактика (часто массивная эллиптическая), которая испускает большое количество энергии в радиоволновом диапазоне электромагнитного спектра. Радиоволны берут свое начало в электронах, которые ускоряются в сильных магнитных полях. Некоторые галактики показывают впечатляющие биполярные струи, вылетающие из нее в межгалактическое пространство. Место их происхождения – центральное активное ядро, то есть сверхмассивная черная дыра в ядре галактики, аккрецирующая материю.

Светимость – общее количество энергии, выпущенной от объекта (например, галактики); измеряется в единицах ватт.

Симуляция N-тела – компьютерная симуляция, которая моделирует гравитационную эволюцию структуры с использованием в трехмерном пространстве частиц, каждая из которых представляет определенную массу. Когда гравитационные силы между всеми частицами были рассчитаны, а их ускорения применены, моделирование перешло к следующему временно́му шагу. Моделирование большого N-тела, достаточное для моделирования репрезентативного объема Вселенной при адекватном разрешении, – очень дорогой процесс, требующий работы с суперкомпьютером. «Моделирование “Миллениум”» – пример большой симуляции N-тела, направленной на изучение эволюции темной материи во Вселенной с учетом текущей космологической модели «Лямбда-CDM».

Скопление галактик (кластер) – огромные скопления в самых массивных гало темной материи, включающие до 1000 отдельных галактик. Общая масса таких систем может в 1 млн раз превышать массу Солнца. Внутренняя среда этих кластеров заполнена горячей плазмой, температура которой составляет миллионы градусов, и может влиять на галактики, которые быстро движутся внутри нее, например через зачистку под давлением.

Спектр/спектроскопия – распределение интенсивности электромагнитного излучения по частотам или длинам волн. Свет от источника (будь то Солнце или галактика) может быть рассеян на составляющие его частоты. Этот эффект проявляется в радуге, где смесь фиолетового с красным светом, которая составляет солнечный свет, расщепляется, проходя через преломление в каплях дождя. Спектроскопия может использоваться для получения информации о количестве испускаемой энергии на разных частотах, и, следовательно, может дать ключи к сведениям о составе и физике конкретной системы.

Спектральный класс – схема классификации звезд по шкале от горячих/светящихся/голубых до холодных/тусклых/красных. Базовая последовательность двигается от горячей до холодной: O, B, A, F, G, K и M. Звезды класса O и B – голубые, A и F – белые, G – желтые (к этому классу относится и Солнце), K – оранжевые, M – красные. Внутри каждого класса выделяются подклассы; их обозначают цифрами от 0 до 9, которые ставятся после соответствующей латинской буквы.

Средний инфракрасный свет – часть электромагнитного спектра за пределами ближнего инфракрасного с длинами волн от нескольких единиц до десятков микрон. Космический источник – горячая пыль (сотни градусов).

Темная материя – вещество, которое составляет около четверти массы Вселенной, но не взаимодействует с барионной материей никаким другим способом, кроме силы гравитации. Мы не наблюдаем электромагнитных эмиссий от темной материи и не обнаруживаем ее непосредственно. Тем не менее мы можем увидеть последствия ее присутствия, например, в кривых вращениях галактик, на которые воздействует распределение массы в галактике, и гравитационном линзировании. Эмпирическое понимание природы темной материи – ключевая цель современной астрономии. В текущей модели считается, что частицы, составляющие темную материю, по сравнению со скоростью света движутся медленно, поэтому темную материю называют холодной (CDM).

Темная энергия – вещество или физический механизм, который способствует наблюдаемому ускорению скорости расширения Вселенной, что демонстрируют, например, тенденции наблюдаемой яркости далеких сверхновых с красным смещением. Есть несколько теорий о том, что может быть темной энергией, но пока ни одна из них не была подтверждена. Поскольку между энергией и массой существует эквивалент, темная материя вносит вклад в общую массу Вселенной и составляет около двух третей ее объема. И темная материя, и темная энергия выходят за рамки стандартной модели физики.

Ультрафиолетовый свет (УФ-свет) – часть электромагнитного спектра с длинами волн (частотами) короче (выше) оптического (видимого) света. Космические источники – горячие молодые звезды.

Фотон – квант электромагнитного излучения (в узком смысле – света). Свет можно рассматривать как поток отдельных фотонов, каждый из которых описывается определенной частотой, или длиной волны. Энергия фотона прямо пропорциональна его частоте и обратно пропорциональна длине волны.

Цефеиды – переменные звезды, которые пульсируют в течение дней или недель. Период изменения их яркости напрямую связан со средней светимостью звезд, поэтому цефеиды могут использоваться как «стандартные свечи» для измерения расстояний.

Электромагнитное излучение, или видимый свет, – часть электромагнитного спектра, распространяющаяся на более низкие и высокие длины волн, соответствующие различным энергиям излучения. Разные физические процессы могут выделять или вызывать выбросы электромагнитного излучения по всему спектру – от радиоволн до гамма-лучей.

Эпоха реионизации – период в истории Вселенной, когда загорелись первые звезды, которые затем начали ионизировать в основном нейтральный межгалактический газ. Предполагается, что это происходило спустя примерно 500 000 лет после Большого взрыва, но в течение длительного периода времени.

Эпоха рекомбинации – период в истории Вселенной, когда из горячей плазмы протонов и электронов образовался нейтральный водород (в нем протон и электрон связаны друг с другом). Это произошло спустя примерно 350 000 лет после Большого взрыва.

Библиография

Бэнкс Иэн М. Последнее слово техники. – Москва: Культура, 2013.

Вайнберг С. Первые три минуты. – Ижевск: РХД, 2000.

Грин Б. Ткань космоса. Пространство-время и текстура реальности. – Москва: Либроком, 2013.

Gribbin, John, Galaxies: A Very Short Introduction (Oxford, 2008) —, Stardust (Harmondsworth, 2009)

Hubble, Edwin, Realm of the Nebulae (Silliman Memorial Lecture Series) (New Haven, 2013).

Коулз П. Космология. Очень краткое введение. – Москва: АСТ, 2009.

Jones, Mark H., Lambourne R. J., eds. An Introduction to Galaxies and Cosmology (Maidenhead, 2004)

Longair, Malcolm, The Cosmic Century (Cambridge, 2006)

Mo, Houjun, Frank van den Bosch and Simon White, Galaxy Formation and Evolution (Cambridge, 2010)

Moore, Sir Patrick, Philip’s Guide to the Night Sky (London, 2013)

Рис М. Наша космическая обитель. – Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002. —, Universe (Oxford, 2012)

Rowan-Robinson, Michael, Night Vision (Cambridge, 2013)

Саган К. Космос: Эволюция Вселенной, жизни и цивилизации. – СПб.: ООО «Торгово-издательский дом «Амфора», 2015.

Sanders, Robert H., Revealing the Heart of the Galaxy: The Milky Way and Its Black Hole (Cambridge, 2013)

Scharf, Caleb, Gravity’s Engines (New York, 2012)

Smoot, George, and Keay Davidson, Wrinkles in Time (New York, 1993)

Sparke, L. S., and J. S. Gallagher III, Galaxies in the Universe: An Introduction (Cambridge, 2007)

Спэрроу Д. Constellations: A Field Guide to the Night Sky (London, 2013)

–, Космос: большое путешествие по Вселенной. – Москва: Эксмо, 2021.

–, Hubble: Window on the Universe (London, 2010)

Тайсон Н. Д., Голдсмит Д. История всего: 14 миллиардов лет космической эволюции. – СПб.: Питер, 2016.

Хокинг С. Краткая история времени. – Москва: АСТ, 2019.

Благодарности

Спасибо Фабиану Уолтеру за разрешение напечатать изображение галактики NGC 268, сделанное проектом «Обзор ближайшей галактики», Алисе Дэниелсон и Марку Свинбанку за предоставление 2D-спектра дистанционного наблюдения галактик исследования Zless. а также Фолькеру Спрингелю за разрешение использовать визуализации «Моделирования “Миллениум”». Кроме того, я также хотел бы поблагодарить Тэмми Хикокс и Тима Гича за отличный совет. И самое главное: я не мог написать эту книгу без любви, поддержки и терпения моей жены Кристен и нашей дочери Софи. Вы – центр моей галактики.

Примечания

1

Новелла вышла в русском переводе: Бэнкс И. М. Последнее слово техники. М.: Азбука, 2016. – Прим. пер.

2

Very Large Telescope (VLC; рус. «очень большой телескоп») – комплекс из четырех отдельных 8,2-метровых и четырех вспомогательных 1,8-метровых оптических телескопов, объединенных в одну систему. Среди оптических телескопов это самый большой на Земле по общей площади зеркал с наибольшей разрешающей способностью в мире. Установлен в Паранальской обсерватории Европейской южной обсерватории на горе Серро-Параналь высотой 2635 м в Чили. – Прим. пер.

3

Легко различимая группа звезд, имеющая исторически устоявшееся самостоятельное название. – Прим. изд.

4

Запас криогена закончился в 2009 году, а в 2020-м было объявлено о завершении миссии. – Прим. ред.

5

Телескоп был выведен на орбиту 21.12.2021, зеркала развернуты. Первые научные исследования начнутся летом 2022 года. – Прим. ред.

6

Гелиопауза – условная граница, до которой не долетает солнечный ветер. – Прим. ред.

7

Сопутствующее расстояние – это расстояние до объекта с учетом расширения Вселенной с течением времени.

Content

Гич Джеймс Галактики. Большой путеводитель по Вселенной

Джеймс Гич Галактики. Большой путеводитель по Вселенной

Глава 1 Города вдали

Глава 2 Шаг за пределы Галактики

Глава 3 Увидеть больше

Глава 4 Эволюция галактик

Глава 5 Модели мира

Шкала расстояний

Глоссарий

Библиография

Благодарности

Примечания