Рекордный космический хвост подсказал, почему галактики слишком маленькие

Считается, что сразу после Большого взрыва вещество было распределено по новорожденной Вселенной почти равномерно. Но там, где материи было чуть-чуть больше, и гравитация была сильнее, она ведь зависит от массы. Поэтому туда притягивались всё новые порции вещества. Это, в свою очередь, усиливало гравитацию, и все повторялось по кругу. Это принцип снежного кома, или, как говорят зануды-ученые, положительной обратной связи.  Каждый, кто лепил снеговика, знает, что снежный ком растет чем дальше, тем быстрее. Это и понятно: чем больше поверхность кома, тем больше снега он намотает на себя, а от этого станет еще больше. Так и галактики росли, пока не впитали в себя практически все окрестное вещество. Казалось бы, все очень просто. Но если перейти от рассуждений «на пальцах» к количественным моделям, получается иная картина.

Правда, смоделировать эволюцию целой галактики очень трудно. Слишком много у нее разнородных компонентов: и звезды, и газ, и магнитные поля, и таинственная темная материя. И все это причудливо взаимодействует между собой. Но ученые не привыкли пасовать перед трудностями. Вооружившись суперкомпьютерами, они соорудили великое множество моделей рождения, жизни и смерти «звездных островов». И большинство этих моделей сходятся в одном: в галактиках должно быть гораздо больше газа и образовавшихся из него звезд, чем реально наблюдается.

Получается два варианта. Либо разные модели, разработанные разными и весьма компетентными людьми, хронически врут в этом пункте, причем пока никто не объяснил, почему. Либо на каком-то этапе своей эволюции галактики теряют значительную часть газа. А из-за этого почти останавливается формирование звезд, которые из этого газа и лепятся. К примеру, в Млечном Пути сегодня образуется всего несколько звезд в год, а когда-то темпы были выше в десятки, а то и сотни раз. Сходные цифры относятся и к другим современным галактикам.

Унесенные ветром

Наблюдения показывают, что из некоторых галактик действительно истекают потоки вещества. Есть несколько видов таких струй, и важно не путать их друг с другом.

Широкой публике более всего известны джеты. Это струи горячих частиц, разогнанных до околосветовых скоростей. Джеты истекают из активных галактических ядер, это в буквальном смысле видно на изображениях галактик (в радиодиапазоне). Джеты бывают разной длины и иногда простираются далеко за пределы родительской галактики. Вместе с тем они чрезвычайно разрежены, так что практически не уменьшают массу галактики.

Более серьезный кандидат на галактическую течь — потоки, исходящие из квазаров (quasar outflows). Для краткости мы будем называть их просто квазарными потоками. Как явствует из названия, они связаны с квазарами, самыми активными из галактических ядер.

Напомним, что в таком ядре скрывается сверхмассивная черная дыра. Эта хищница окружена диском вещества, падающего на нее по спирали. По пути в бездну потоки материи сталкиваются друг с другом и раскаляются трением. В итоге окружающий черную дыру диск испускает мощнейшее электромагнитное излучение: свет, рентгеновские лучи и так далее.

Это излучение выходит далеко за пределы окрестностей черной дыры. Его видно даже на межгалактических расстояниях, благодаря чему мы и знаем об активных ядрах. Ну а в толще родительской галактики напор фотонов особенно велик. Там излучение буквально сгребает перед собой газ, как бульдозер. Это происходит благодаря давлению света, открытому нашим великим соотечественником Петром Николаевичем Лебедевым. Поток газа, подталкиваемый излучением квазара, — это и есть квазарный поток.

Эти потоки бывают очень впечатляющими. Мощность некоторых из них измеряется триллионами солнечных светимостей. Как утверждают специалисты, ни одно другое явление не несет больше механической энергии.

Квазарные потоки можно проследить благодаря их ультрафиолетовому излучению. Но недалеко, в лучшем случае на тысячи световых лет — порядка процента от диаметра крупной галактики. Дальше газ остывает и перестает светиться в ультрафиолете. Выходит ли он в итоге за пределы «отчего дома» и в каком количестве, вопрос дискуссионный.

Еще одна и самая серьезная кандидатура на роль «утечки газа» — суперветры. Это мощные потоки холодного газа, покидающие галактику со скоростью несколько тысяч километров в секунду. Где и почему они начинаются, не очень понятно. Телескопам не под силу проследить потоки холодного вещества в галактической толще. Одна из гипотез состоит в том, что это те же самые квазарные потоки, только основательно остывшие по пути.

Конечно, не всякая галактика может похвастаться квазаром или вообще сколько-нибудь активным ядром. Ядро Млечного Пути, например, к нашему счастью, спокойное. С другой стороны, мы мало знаем о том, каким оно было во времена своей юности. Возможно, нынешние спокойные ядра просто уже израсходовали запасы падающего на них вещества. Недаром квазары наблюдаются только в ранней Вселенной.

Что общего у галактики с унитазом

Другая модель связывает суперветры со взрывами сверхновых. Как известно, жизнь самых массивных звезд (тяжелее десяти солнц) заканчивается впечатляющей вспышкой. Взрыв создает ударную волну, сгребающую перед собой вещество. Постоянный трескучий фейерверк таких взрывов может породить суперветер, складывающийся из множества ударных волн.

В этой модели звездообразование останавливает само себя. Вначале в галактике образуется очень много звезд, в том числе и массивных. Последние быстро (за сотни или даже десятки миллионов лет) догорают и взрываются. Ударные волны от взрывов сливаются в суперветер, выметающий из галактики газ. А когда газа становится слишком мало, новые порции светил становится буквально не из чего лепить.

Это пример уже не положительной, а отрицательной обратной связи. С ней знаком каждый, кому доводилось снимать крышку с бачка унитаза. Кран открывается рычагом, к которому прикреплен поплавок. Пока тот лежит на самом дне, кран открыт до упора. По мере наполнения бачка поплавок поднимается и постепенно перекрывает кран.

Это и называется отрицательной обратной связью: чем больше чего-то (в данном случае воды) есть, тем меньше добавится сверху. Отрицательными обратными связями переполнена не только техника, но и природа, особенно живая. Это один из главных механизмов стабилизации, не дающих системе пойти вразнос: бачку — переполниться, а волкам — съесть всех зайцев. Похоже, что и число звезд в галактиках регулируется такой связью: звезды сами заботятся о том, чтобы их «размножение» почти остановилось.

В пользу «сверхнового» происхождения суперветров есть веские аргументы. К примеру, в недавнем исследовании десятков галактик не обнаружилось никакой статистической связи между яркостью квазара и наличием вокруг него суперветров. Зато «суперветренность» неплохо коррелировала с темпами звездообразования. Впрочем, у сторонников квазарной гипотезы тоже найдутся ссылки на литературу. Не исключено, что в природе работают оба механизма.

Когда у галактики растет хвост

Являются ли суперветры, чем бы они ни были вызваны, единственным механизмом потери газа? Скорее нет, чем да. Астрономам известен еще как минимум один путь, которым газ может покинуть родную систему. Для галактики, как для нерадивого студента, проблемой могут стать хвосты.

Что это такое? Иногда галактики сближаются, и гравитация одной из них буквально вытаскивает из другой струю газа — так называемый приливной хвост. Говоря более точно, это делают приливные силы. Они возникают из-за того, что на разном расстоянии от галактики-гостьи ее гравитация имеет разную величину. Подобные же силы со стороны Луны и Солнца вызывают приливы на Земле. Разве что они не такие мощные, поэтому океанский водяной горб и не улетучивается в космос, в отличие от струи газа из галактики.

Приливные хвосты — редкое явление, ведь у большинства галактик нет близких соседей. Поэтому обычно они и не рассматриваются как тормоз, останавливающий рост галактик. Но в прошлом, когда Вселенная еще не так расширилась, «звездные острова» были ближе друг к другу. Тогда и приливные хвосты могли появляться чаще, чем сегодня.

Недавно ученые обнаружили важное свидетельство в пользу этой точки зрения. Это впечатляющий хвост газа у галактики с зубодробительным обозначением SDSS J144845.91+101010.5 (ниже мы будем для краткости именовать ее просто J144845).

Газовый хвост этой галактики простирается более чем на 200 тысяч световых лет и имеет массу 10 миллиардов солнечных. Авторы исследования называют такие масштабы беспрецедентными. И в самом деле, это почти столько же газа, сколько осталось в самой галактике. Такая потеря запросто может остановить звездообразование без всяких суперветров.

Что могло породить столь длинный хвост? Приливные силы. Других работоспособных механизмов, кажется, просто нет: газ, вынесенный супеветрами, выглядит иначе. При этом у J144845 нет близких соседей, претендующих на роль возмутителя спокойствия. Исследователи объясняют это просто: галактика-гостья успела столкнуться и слиться с J144845.

Напомним, что миллиарды лет назад галактики были ближе друг к другу: расширение Вселенной не успело сделать свое дело. Поэтому и сталкивались они гораздо чаще, чем сейчас. К примеру, в истории Млечного Пути астрономы насчитали пять крупных ДТП за последние 11 миллиардов лет. Нет причин полагать, что с другими звездными системами это случалось реже.

Опасная близость

Любопытно, что приближение системы-визитера поначалу даже стимулирует образование звезд. Ее гравитация вызывает бурное движение межзвездного газа в галактике-хозяйке. А любое нарушение равновесия создает случайные неоднородности. Гравитации же только того и надо, чтобы лепить из этих неоднородностей звезды. Так галактика испытывает вспышку звездообразования (starburst). Но эта вспышка затухает так же внезапно, как и начинается. И теперь, кажется, понятно, почему она затухает: потому что чересчур приблизившаяся гостья вырывает газ за пределы галактики. Сближение хорошо в меру, астрономы знают это не хуже психологов.

Если каждому столкновению галактик предшествует образование грандиозных приливных хвостов, то понятно, как звездные системы теряют газ. Понятно также, почему мы не наблюдаем хвостов у Млечного Пути и других окрестных галактик. За миллиарды лет, прошедшие с последнего столкновения, эти струи успели рассеяться. Но далекие галактики, в отличие от близких, мы видим молодыми. Например, свет от J144845 добирался до Земли шесть миллиардов лет — почти половину возраста Вселенной.

Авторы подчеркивают, что на J144845 они наткнулись в известной мере случайно. Исследователи не ставили себе целью искать «хвостатые» галактики. Да и вообще лишь недавно телескопы стали настолько совершенными, чтобы находить подобные хвосты на столь значительных дистанциях. Необходим целенаправленный поиск таких объектов, подчеркивают ученые. Только так мы сможем понять, что представляет собой J144845: типичный случай или редкое исключение.