«Красно-синий самый сильный»

Попытка вписать эволюцию отдельных звезд, скоплений и галактик в общую историю Вселенной — это одна из сверхзадач современной астрофизики. Где-то сейчас звезды рождаются, горят и умирают, как они делали это несколько миллиардов лет до нас и будут делать еще миллиарды лет после — так есть ли какие-то общие закономерности, которые описывают вероятность появления звезд и активность галактик?

На первый взгляд все просто — если сразу после большого взрыва никаких звезд не было, да и в будущем в связи с расширением Вселенной и конечным количеством водорода будет довольно темно и холодно, то где-то на этом луче времени должен быть максимум звездообразования, когда ситуация в космосе была наиболее благоприятной, чтобы облака холодного водорода гравитировали в плотные шары с самоподдерживающейся реакцией термоядерного синтеза (это и есть научное определение звезды). Но как только начинаешь копать вглубь проблемы, вылезают множество подробностей, которые немыслимо усложняют всю картину. Например, просто невозможно изучить все звезды по отдельности — в каждой галактике их миллиарды.

Мы можем в принципе взять за единицу изучения не отдельную звезду, а, например, скопление — это компактная группа звезд, что особенно важно, образовавшихся в одно и то же время. Но многие звезды не входят ни в какие скопления, а значит картина мира снова лишается некоторых важных частей.

Правильнее всего за единицу наблюдения взять галактику, а еще лучше скопление галактик — самое большое образование, не участвующее в расширении Вселенной (проще говоря — галактики в скоплении притягиваются друг к другу силой гравитации и не разбегаются, а вот скопления галактик уже находятся так далеко друг от друга, что не могут компенсировать расширение Вселенной силой своей гравитации). Рассмотрев отдельные галактики и их скопления, можно определить темп звездообразования в них и попытаться связать его с их морфологией, временем появления, размерами, цветом и, возможно, установить какую-то закономерность. И вот уже у нас вроде найдены те элементы, которые помогут связать такую заурядную вещь, как жизнь одной звезды, с эволюцией всей Вселенной как единого целого.

Это непростое вступление необходимо, чтобы понять суть статьи, принятой к публикации в Astrophysical Journal пару недель назад.

Группа ученых из корейского Центра Изучения Происхождения Вселенной, американского Института исследований космоса с помощью космического телескопа и ряда других объединили глубокие снимки, полученные с помощью крупнейших телескопов: инфракрасного телескопа UKIRT, оптического телескопа Субару, космического инфракрасного телескопа Спитцер, а также доступные спектры галактик, попавших в поле зрения для определения более точного расстояния до них.

В этой работе был проведен анализ 46600 галактик, находящихся на красных смещениях от 0,5 до 2 (соответствует времени Вселенной от 3,27 до 12,47 миллиардов лет). Он должен был показать — как со временем меняется звездное население этих галактик и какие факторы на это влияют. Напомним, что есть удобная страничка, которая конвертирует красное смещение в расстояние, возраст Вселенной и прочие единицы длины, времени и угловых расстояний.

Изучив распределения галактик, астрофизик Сеонг-Кук Ли с коллегами обнаружили 46 скоплений (27 из них ранее не были известны). Далее был предложен критерий, по которому галактику причисляют либо к молодым и активным, либо к старым и тихим (кстати, не следует путать активную галактику, в которой рождаются звезды, и активное ядро галактики, где гигантская энергия выделяется из-за аккреции вещества на сверхмассивную черную дыру).

Критерий завязан на время жизни самых массивных, а значит короткоживущих звезд — если они в галактике есть, значит были сформированы недавно и скорее всего новые звезды там продолжают образовываться (ведь звездообразование не выключается «скачком»). Вспоминаем закон смещения Вина — более горячее тело будет иметь максимум излучения в более коротковолновой области спектра, а значит массивные звезды будут светиться голубым светом. Наблюдения во время всего XX века подтвердили — если цвет галактики ближе к синему, значит там постоянно формируются новые звезды.

Когда же этот процесс заканчивается, то первыми гаснут самые массивные голубые гиганты, в то время как звезды с массой много меньше солнечной могут светить триллионы лет (то есть в тысячу раз дольше времени существования Вселенной). И светить они будут, согласно тому же закону Вина, красноватым-желтоватым светом. Так называемое бимодальное распределение галактик известно давно и имеет устоявшиеся названия: Голубое облако — для молодых галактик, красная последовательность — для тихих галактик и зеленая долина — для галактик, которые переходят из одной области в другую

Надо уточнить, что голубые галактики — это открытая группа, там могут появиться новые галактики (например, галактика, прежде невидимая для нас, наберет массу за счет падающего на нее водорода и станет массивнее и ярче), а когда в ней истощаются запасы водорода, она уходит из этого «облака», мигрируя в сторону красных собратьев.

Группа же красных галактик — закрытая. Попав туда, галактика будет находиться там вечно, лишь продолжая становиться более красной по мере угасания звезд

Есть, впрочем, один механизм, благодаря которому галактики могут снова помолодеть. Он теоретически предсказан и регистрируется во время компьютерного моделирования, но экспериментально еще не обнаружен: в результате столкновения двух старых галактик их холодный газ может перемешаться и начать активно сжиматься в протозвезды, запуская новый взрыв звездообразования — галактика снова станет считаться молодой.

Изначально ученые выдвинули две гипотезы. Согласно первой из них, продолжительность фазы активного звездообразования в галактике (тогда ее еще называют молодой) зависит прежде всего от массы этой галактики. Вторая гипотеза гласила, что дело в окружающей ее среде — галактики в скоплениях должны вести себя иначе, чем галактики, не имеющие поблизости соседей (таких изолированных галактик в работе тоже было найдено великое множество).

Результаты работы интересны — оказалось, что обе гипотезы верны, но на разных временных масштабах. Галактики в скоплениях действительно чуть быстрее проходят период активного звездообразования и становятся старыми (или «мертвыми» — в другой терминологии). Это заметно только для некрупных галактик с массами не более 10,5 миллиардов солнечных, потому что для более крупных правдивой оказывается другая гипотеза — чем масса галактики больше, тем быстрее там прекращают рождаться новые звезды. Этот механизм настолько эффективен, что и галактики в скоплениях, и изолированные галактики «умирают» настолько быстро, что разница в окружении просто не успевает сказаться.

Физический механизм, отвечающий за такой результат, чрезвычайно сложен и до конца не изучен. Мы можем только предполагать, что большую роль в этом играют взрывы других сверхновых в этой галактике, активные ядра галактик (такие галактики вообще не были использованы в эксперименте, чтобы улучшить точность измерения масс), «приливное обдирание» (то есть изменение массы галактики при ее движении не в пустом космосе, а среди газа и пыли), разное количество и скорость притока холодного водорода в галактику и так далее. А не зная точной физической подоплеки, можно очень легко неправильно интерпретировать какие-то статистические результаты, поэтому в статье авторы делают осторожные выводы, представляя только факты и оставляя их интерпретацию на будущее.

Еще одним выводом можно назвать подтверждение прежде известных (хотя и для меньшей выборки) данных о времени, когда в галактиках стал заканчиваться холодный водород и темпы звездообразования пошли вниз. Это случилось 9,1 миллиарда лет назад. И наша галактика, образовавшаяся примерно 13,7 миллиардов лет назад и рождающая сейчас около одной звезды в год — одна из самых типичных, если не сказать заурядных галактик.

Марат Мусин