Радио-ретро

Одна из практических задач, которую решает современная астрофизика, это поиск ответа на вопрос «Как появилось все вокруг?» То есть как образовалась планета Земля, как и когда появилось Солнце, что привело к формированию нашей галактики? Сейчас человечество знает о существовании миллионов галактик, но наш дом — это Млечный Путь и поэтому ученые стремятся как можно лучше понять механизмы, которые сделали нашу Галактику такой, какой мы ее видим. Мы не можем непосредственно посмотреть на то, каким был Млечный Путь в прошлом, но — спасибо конечной скорости света — мы видим далекие галактики такими, какими они были миллионы и миллиарды лет назад. Поэтому логичным шагом будет попытаться найти галактики, которые могут напоминать нашу в молодости. И изучая их, понять, как она выглядела и формировалась на ранних этапах своей эволюции.

Мы уже много знаем про Млечный Путь — его размеры, массу, сколько новых звезд в нем образуется (около 1,7 в год). Но это все «статичные» цифры, они говорят о том, что есть сейчас, а интереснее и полезнее для науки узнать динамику — как галактика набирала массу со временем, сколько лет у нее на это ушло, были ли периоды, когда появлялось особенно много звезд?

Именно этой проблеме посвящена статья, принятая к публикации в январском выпуске журнала Nature Astronomy. Группа ученых под руководством Кейси Паповича наблюдала четыре некрупные молодые галактики, свет от которых шел до нас 9 миллиардов лет. Найти еще более древних предков Млечного Пути, которому от 10 до 13 миллиардов лет, трудно, потому что чем галактика меньше, тем она обычно тусклее и тем труднее ее обнаружить и тем более измерить ее характеристики.

Галактики, ставшие предметом исследования, известны уже давно — их наблюдали телескоп Хаббла в 2011 году и один из двух 6,5-метровых Магеллановых телескопов в 2014-м. Что же привлекло к ним внимание ученых в 2016-м? Дело в том, что в этом году в рамках проекта изучения галактик на больших красных смещениях ZFORGE Магелланов телескоп исследовал более 24 тысяч галактик, часть из которых была уже известна, и оказалось, что семь из них по своим характеристикам напоминают Млечный Путь в далеком прошлом. У них примерно в пять раз меньше звезд, а скорость звездообразования, наоборот, в 20 раз выше, нет признаков активных ядер или последствий недавних столкновений с компаньонами. Эти семь галактик были отобраны для более детальных наблюдений с помощью радиотелескопа ALMA, но позже их число сократилось до четырех — работая с крупнейшими мировыми телескопами, всегда приходится мириться с недостатком выделяемого на наблюдения времени.

Отдельно надо заметить, что такой детальный анализ удаленных маломассивных галактик раньше требовал более 25 часов непрерывного наблюдения крупнейших одиночных радиотелескопов. Комплекс ALMA позволяет добиться того же качества данных всего за 40 минут!

Почему для изучения галактик понадобился именно радиотелескоп? Дело в том, что видимый свет, который приходит к нам от них, как ни странно, говорит о галактике очень мало — часть света поглощается пылью и газом, которых в достатке в молодых формирующихся галактиках, часть звезд слишком маленькие и тусклые, чтобы быть заметными. К тому же на таком удалении, из-за расширения Вселенной и эффекта Доплера, регистрируемая длина волны будет примерно в два раза больше той, что мы получили бы, будь галактика рядом с нами. Это значит, что часть оптического света перейдет в инфракрасную область, где чувствительность телескопов намного ниже. Кроме того, даже пересчитав все звезды, мы не определим очень важный параметр — сколько в галактике холодного молекулярного водорода, строительного материала для звезд. А это очень важная характеристика.

Вообще, нейтральный холодный водород — это молекула, которую чрезвычайно трудно наблюдать. Она симметрична и не имеет собственного дипольного момента — то есть почти не излучает электромагнитные волны из-за вращательных или колебательных переходов. Вращательные моменты более высоких порядков — мультиполи — у молекулы водорода присутствуют, а значит, возможно спонтанное излучение фотона. Но, во-первых, это маловероятное событие (время жизни молекулы в таком состоянии может составлять 100 лет), а во-вторых, такие переходы возможны только при высоких температурах (порядка 100 кельвин), и это наиболее печально. Получается, что прямых способов обнаружить холодный молекулярный водород почти нет. Однако, можно использовать какой-нибудь другой элемент или молекулу, которая будет присутствовать в водородных облаках и излучать на удобных нам длинах волн. Следующие по распространенности элементы в космосе после водорода — это гелий, углерод и кислород. Гелий не подходит — это одноатомный газ, который почти не излучает в космосе, а вот углерод и кислород образуют несимметричную молекулу CO (угарный газ), которая как раз очень привлекает ученых.

Переход фотонов между вращательными уровнями молекулы CO соответствует инфракрасному излучению, эти переходы происходят при температурах всего в несколько кельвин. Из-за сравнительно малой плотности этих молекул в космосе не происходит явления самопоглощения (то есть фотон, испущенный одной молекулой, имеет мало шансов поглотиться другой такой же молекулой). Да, утверждать в одном абзаце, что молекул CO и много и мало одновременно — это очень по-астрофизически, но вывод тут однозначен: свойства молекулы угарного газа прекрасно подходят для ее обнаружения в далеких галактиках. А где угарный газ — там и водород, просто потому что если где-то в космосе есть любой газ, то там будет и водород. Причем, что особенно важно, холодный! Важно, потому что только облака холодного водорода могут сжиматься под действием собственной гравитации — если температура облака выше нескольких десятков кельвин, то собственная кинетическая энергия молекул будет слишком большой и оно не сожмется, а значит, и звезда никогда не образуется. Перевести полученные спектры угарного газа в полную массу водорода можно по хорошо проверенным формулам.

Именно для этого нужен радиотелескоп, и тут проявляется все технологическое совершенство телескопа ALMA — он смог обнаружить линии излучения фотонов в угарном газе четырех галактик, удаленных от нас на 8,5 миллиарда световых лет. И это первый раз, когда подобные измерения сделаны для столь маленьких галактик.

Оказалось, что эти молодые галактики уже на такой ранней стадии своей эволюции имеют колоссальные запасы строительного материала для звезд — масса газа превышает массу всех звезд в них, в то время как в нашей Галактике масса звезд в десять раз больше массы газа. Теперь понятно, как им удается поддерживать такой высокий темп звездообразования!

Это открытие важно само по себе — оно дает представление о молодом Млечном Пути, его массе и составе, но статья этим не ограничивается: одним из выводов работы стало разрешение противоречия между двумя теориями образования галактик. Согласно одной, галактики образуются, уже имея достаточные запасы водорода, чтобы сразу начать звездообразование. Вторая же утверждает, что, по мере роста галактики, на нее падает все больше и больше водорода из межгалактического пространства и это помогает поддерживать высокий темп формирования новых звезд в первые несколько миллиардов лет. Четырем галактикам из этой статьи уже больше трех миллиардов лет, и такие запасы водорода однозначно указывают на «подпитку» галактики снаружи. Если посчитать, что весь накопленный к этому моменту газ будет использован для «постройки» звезд (это упрощенный подход, обычно КПД галактики намного ниже), то эти галактики уже почти набрали достаточно газа, чтобы в будущем сравняться с Млечным Путем по количеству звезд. Это поможет ученым установить, на каком этапе жизни нашей Галактики иссякли запасы водорода и из очень бурного и неспокойного места для обитания она стала такой тихой и предсказуемой, какой мы наблюдаем ее сейчас.

Еще одним результатом группы Паповича было то, что спектры угарного газа, полученные ALMA, обнаруживают признаки вращения галактик, по крайней мере у трех из четырех. Это важно, потому что позволяет лучше понять динамику формирования галактики — чем раньше она начинает вращаться, тем быстрее у нее появятся спиральные рукава, как у Млечного Пути.

Недавно авторы статьи получили наблюдательное время на телескопе ALMA в 2017-м году. В их планах — измерить температуру и плотность газа, из которого формируются звезды. Это должно позволить ученым построить карту очагов звездообразования — тех областей, в которых из холодного водорода под действием гравитации образуется плотный горячий кокон, где начинает идти термоядерная реакция — и зажигается звезда.

Марат Мусин