Галактики. Большой путеводитель по Вселенной - Джеймс Гич

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