• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
16.09.2022
Анатолий Глянцев
4 254

Рекордный космический хвост подсказал, почему галактики слишком маленькие

7.2

Пока любители астрономии поражаются величине галактик, профессионалы ломают голову, почему они такие маленькие. Naked Science объясняет, в чем тут загадка, а также что общего у галактики со снежным комом и бачком унитаза и отчего у нее может вырасти хвост.

NGC 2623 — пример сливающихся галактик с приливными хвостами / © Hubble Legacy Archive, ESA, NASA; Martin Pugh

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.

Художественное изображение квазара с джетами / © NASA/CXC/M. Weiss

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.

Приливной хвост галактики Arp 188 / © Hubble Legacy Archive, ESA, NASA; Bill Snyder (Heavens Mirror Observatory)

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.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 08:39
Михаил Орлов

Глобальные изменения климата сказываются как на природе, так и на населении Земли. Среди последствий потепления — волны жары и увеличение числа жарких дней, которые напрямую влияют на здоровье людей и повседневную жизнь. Российские ученые из Высшей школы экономики и Института географии РАН спрогнозировали, как летний зной будет влиять на жителей России в ближайшие десятилетия. Они назвали регионы РФ, которые могут пострадать от жары сильнее всего, и выявили ведущие факторы таких изменений.

15 марта
Юлия Трепалина

Рассмотрев опыт ферм по выращиванию крупных питонов в Азии, ученые пришли к выводу, что это один из эффективных, но в то же время наименее вредных для экологии видов животноводства. По мнению исследователей, людям стоит всерьез задуматься о его внедрении в массовых масштабах.

2 часа назад
Игорь Байдов

Грузовой самолет будут использовать для перевозки 90-метровых лопастей ветряных турбин, которые невозможно доставить по суше из-за размеров. Предполагается, что этот аппарат произведет революцию в сфере возобновляемых источников энергии.

Вчера, 08:39
Михаил Орлов

Глобальные изменения климата сказываются как на природе, так и на населении Земли. Среди последствий потепления — волны жары и увеличение числа жарких дней, которые напрямую влияют на здоровье людей и повседневную жизнь. Российские ученые из Высшей школы экономики и Института географии РАН спрогнозировали, как летний зной будет влиять на жителей России в ближайшие десятилетия. Они назвали регионы РФ, которые могут пострадать от жары сильнее всего, и выявили ведущие факторы таких изменений.

15 марта
Юлия Трепалина

Рассмотрев опыт ферм по выращиванию крупных питонов в Азии, ученые пришли к выводу, что это один из эффективных, но в то же время наименее вредных для экологии видов животноводства. По мнению исследователей, людям стоит всерьез задуматься о его внедрении в массовых масштабах.

15 марта
Полина

Субтитры в видео на иностранном языке помогают понимать речь на слух, а не отвлекают, вопреки распространенному мнению. Таковы результаты исследования, которое провели специалисты из США.

11 марта
Игорь Байдов

Американская компания Stratolaunch сообщила об успешном завершении летных испытаний прототипа гиперзвукового аппарата Talon-A, оснащенного ракетным двигателем. Во время беспилотного полета планер развил сверхзвуковую скорость.

13 марта
Алиса Гаджиева

Древние переселенцы из Анатолии не только устроили геноцид в Скандинавии, но и одарили выживших новыми болезнями.

20 февраля
Полина

В Российской академии наук завершили первый Большой словарь ударений, его издадут к концу года. Лингвисты собрали наиболее современные нормы произношения привычных слов и зафиксировали ударение для лексики, которая появилась в русском языке недавно.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: