Есть ли в космосе структуры, простирающиеся на миллиарды световых лет, или же Вселенная на таких масштабах скучна, то есть изотропна и однородна? Есть ли у Млечного Пути край и если есть, то где конкретно он располагается и какими свойствами обладает? Как могла образоваться галактика, которая не укладывается в общепринятые представления о росте и развитии таких объектов? Наконец, зачем вообще нужна астрономия? Об этом и многом другом читайте в свежем обзоре астрономических препринтов на «Ленте.ру».
Самая большая структура
На сегодняшний день самая большая известная нам структура во Вселенной — это, пожалуй, Слоановская Великая Стена, группа сравнительно компактно расположенных галактик общей протяженностью более миллиарда световых лет. Первоначально открытая в конце 1980-х, она окончательно закрепила за собой звание рекордсмена в 2003 году, после того как были обнародованы данные Слоановского цифрового обзора неба. Существование такого объекта интересно тем, что общепринятый космологический принцип предполагает однородность и изотропность Вселенной на больших масштабах. То есть само существование Стены этому принципу противоречит.
Впрочем, принцип — это все-таки не закон. Ученым вообще всегда интересно обнаружить какую-нибудь неоднородность, неравномерность, ненормальность — любое отклонение от простого или очевидного положения вещей, потому что это первый признак существования новой сущности или даже нового, неизвестного ранее физического закона — какой-то причины, которая и обусловливает появление этой «ненормальности». В общем, нет ничего удивительного, что Слоановская Великая Стена так интенсивно изучается астрофизиками.
Слоановская Великая Стена
Иллюстрация Caltech
В числе активных ее исследователей трое ученых из Венгрии и США, они утверждают, что во Вселенной, вероятно, существует структура (группа галактик), которая находится в десять раз дальше Слоановской Великой Стены и в десять же раз ее больше.
Такой вывод они сделали, изучая статистику так называемых космических гамма-всплесков (Gamma-ray bursts, GRB). Эти всплески суть неожиданные короткие вспышки гамма-излучения, которые вот уже сорок лет регистрируются космическими телескопами. Их природа, как принято считать, связана с коллапсом (смертью) очень массивных звезд, приводящим в результате к образованию черных дыр. В ходе этого процесса выделяется колоссальная энергия. И хотя эти события происходят в далеких галактиках, их гамма-светимость столь высока, что даже при наблюдении с земной орбиты они относятся к числу ярчайших объектов в своем диапазоне длин волн (а по крайней мере один из них, GRB 080319B, в 2008 году можно было наблюдать невооруженным глазом).
Одним из аргументов в пользу именно космологического происхождения гамма-всплесков, еще на заре их изучения, было то, что они распределены по небу равномерно, то есть в соответствии с космологическим принципом. Эти вспышки не концентрируются ни в плоскости нашей Галактики, ни в плоскости орбиты Земли вокруг Солнца (что было бы ожидаемо для событий внутри Солнечной системы), ни в какой-либо еще отдельно взятой области небесной сферы. Впоследствии для нескольких сотен всплесков были обнаружены галактики, в которых они вспыхнули; кроме того, были напрямую измерены красные смещения этих галактик (то есть расстояния до них), и это окончательно подтвердило внегалактическую природу GRB.
Для измерения внегалактических расстояний астрофизики используют красное смещение, обозначаемое z. Это сдвиг линий в спектре электромагнитного излучения в красную область, обусловленный собственным расширением Вселенной. Чем дольше свет шел до наблюдателя на Земле, тем сильнее расширилось пространство, а значит, и растянулись волны самого излучения.
Еще одной используемой для измерения расстояний единицей является парсек (от параллакс + секунда). Один парсек равен расстоянию до объекта, годичный параллакс которого равен одной секунде. Парсек равен примерно 3,26 светового года.
Авторы же упомянутой работы решили проверить, на всех ли красных смещениях гамма-всплески распределены по небу равномерно? Оказалось, что не на всех. Половина всплесков в области z=1.5-2 сконцентрирована на одной восьмой части всего неба. Вероятность того, что так сложилось случайно, не превышает одной стотысячной, и можно предполагать, что за этим стоит какая-то реальная физическая причина. Всплески на других z ведут себя, как и «положено», равномерно.
Такая асимметрия вспышек может означать повышенную концентрацию галактик в той области, из которой они приходят (чем больше галактик, тем чаще случаются GRB). То есть, возможно, там расположена группа, аналогичная Слоановской Великой Стене, но находящаяся значительно дальше последней, а по своим размерам сравнимая со всей видимой Вселенной.
На краю
Где находится граница нашей галактики Млечный Путь? И что там, на этой границе? Эти вопросы — не просто праздное любопытство. Ответы на них могут многое сказать об истории формирования нашей Галактики и ее структуре.
Сегодня принято считать, что галактики типа нашей образовались в ходе постепенного слияния галактик поменьше. Более того, маленькие галактики по сей день продолжают «падать» на Млечный путь, разрушаясь при этом приливными силами (этот процесс мы сегодня наблюдаем в виде нескольких звездных потоков над плоскостью нашей Галактики). Но даже эти потоки находятся не на самой границе Галактики — ее гравитационное влияние простирается еще дальше.
Самым естественным было бы найти звезды, которые расположены на краю Галактики, и отвечать на поставленные вопросы, изучая эти самые звезды. Уже давно было понятно, что сделать это непросто, но, в принципе, можно. Теперь пятеро американских астрофизиков представили работу, демонстрирующую, что они с успехом с этой задачей справились.
Звездный поток рядом с NGC 4449
Карликовая галактика NGC 4449 находится на расстоянии 12,5 миллиона световых лет от Земли в созвездии Гончих Псов. Она стала первой карликовой галактикой, у которой был обнаружен приливной звездный поток.. Фото NASA/ESA
Ученые воспользовались данными современных обширных обзоров неба, проводимых в разных цветах, и знаниями о типах звезд и звездной эволюции. Во-первых, было ясно, что из-за больших расстояний искать надо яркие звезды-гиганты — в тысячу раз более яркие, чем Солнце: их лучше видно. Во-вторых, из-за тех же расстояний собственное движение звезд по небу должно быть практически неразличимо. В-третьих, желательно найти красных гигантов — излучение красного цвета слабее поглощается веществом Галактики. Для того чтобы убедиться, что найденные звезды действительно являются красными гигантами, нужна еще информация о спектре излучения. Эта же информация позволяет рассчитать реальную светимость звезд, сравнив ее с наблюдаемой яркостью, можно вычислить расстояние до них.
Авторы внимательно обработали данные современных обзоров UKIDSS и 2MASS, содержащих изображения большого количества слабых (в смысле видимой яркости) звезд, и, руководствуясь перечисленными критериями, отобрали 374 объекта, которые могут претендовать на статус далеких красных гигантов. В качестве спектральной информации ученые использовали яркости звезд в разных цветовых диапазонах (можно сказать, что это спектроскопия очень низкого разрешения).
Примечательно, что вопрос о сегодняшнем взаимодействии Млечного пути с его карликовыми спутниками еще до конца не решен. Помочь астрономам в его прояснении может любой желающий — для этого нужно принять участие в проекте распределенных вычислений MilkyWay@Home. Проект работает с 2007 года.
Теория красных гигантов развита достаточно хорошо, поэтому определить расстояние до звезд было несложно — оно оказалось в пределах 100-200 килопарсек. Это примерно в 3-6 раз превышает размеры диска нашей галактики. Кроме того, в рамках дополнительных наблюдений удалось получить твердое спектральное подтверждение того, что три объекта действительно являются красными гигантами.
Таким образом, ученым, по сути, удалось составить каталог, по-видимому, самых далеких звезд Галактики, а также — пусть пока и довольно грубо — очертить границы самой Галактики.
По своему происхождению эти звезды — следы «падения» карликовой (в тысячу раз меньшей, чем наша) галактики на Млечный Путь. Возможно, это карликовая галактика в Стрельце, сегодня даже еще наблюдаемая. Авторы делают вывод, что в сравнительно недавнем (по астрономическим меркам, конечно) прошлом это «падение» было единственным подобным событием — иначе мы видели бы существенно больше остаточных красных гигантов.
Портрет Малина 2
Как уже было сказано, считается, что большие галактики в ходе эволюции Вселенной постепенно собирались из маленьких. Однако существуют такие галактики, свойства которых иерархическими слияниями объяснить сложно. Их немного, но именно они становятся весьма серьезным испытанием для общепринятой теории.
Один из таких объектов — спиральная галактика с именем Малин 2, расположенная в созвездии Льва на расстоянии около 200 мегапарсек. Она относится к классу галактик с низкой поверхностной яркостью. Проще говоря, в ней очень мало светящегося вещества — зато много материи не светящейся, в том числе и темной.
Малин 2
Иллюстрация Kasparova et al.
При этом нельзя сказать, что звезды в них не образуются вовсе — в отличие от обычных галактик, там они как раз образуются постоянно, просто очень медленно. Можно сказать, что такие галактики «тихо тлеют» (.pdf). Как правило, они существенно меньше Млечного Пути, то есть считаются карликовыми, но есть и несколько поистине гигантских объектов. Так, диск Малин 2 имеет размеры, в три раза превышающие диск Млечного Пути, а полная масса этой галактики составляет около двух триллионов масс Солнца.
Научный портрет этого гиганта по результатам всестороннего анализа представила группа российских астрофизиков. Задачей ученых было описать и понять причины развития особых свойств галактики, основываясь на данных фотометрических и спектральных наблюдений с разных телескопов, а также в рамках компьютерного моделирования. Один из главных вопросов, стоявших перед ними, — как могла сформироваться такая гигантская система? Если бы она набрала свою массу в процессе слияния с меньшими галактиками, то не смогла бы так хорошо сохранить свою спиральную структуру — она была бы разрушена. По-видимому, серьезных слияний Малин 2 в прошлом не переживал, а значит, уже само его существование — вызов принятой теории эволюции галактик.
Впрочем, теорию удалось спасти. Проделав большую работу, авторы смогли сформулировать сценарий, который, с одной стороны, не противоречит устоявшимся представлениям, а с другой — объясняет детали наблюдаемых свойств Малина 2. Главная мысль такова: зародышем этой галактики изначально был очень массивный (при этом весьма протяженный, а потому разреженный) сгусток темной материи. В принципе, подобные сгустки предшествуют всем галактикам, но в данном случае изначально большая масса породила нетривиальную галактику с редким набором свойств и особым типом эволюции. Казалось бы, всего одна количественная причина — и такие качественно иные последствия. Но для Вселенной это не редкость.
О пользе квазаров в народном хозяйстве
Вопрос «И что?» в разных его формах астрономам (да и многим другим ученым) приходится слышать довольно часто. Знания, задачи, цели, которыми оперируют профессиональные исследователи, настолько выходят за рамки повседневного быта, что большинству людей отнюдь не очевидна не только польза, но хотя бы смысл фундаментальной науки. И ученые постоянно стараются на этот вопрос ответить.
Такую попытку предприняли и астрономы из Лейденского университета (Нидерланды) и Европейской Южной обсерватории (Германия). Специально для Международного астрономического союза они подготовили текст о пользе астрономии в народном хозяйстве, на конкретных примерах продемонстрировав, как такая сугубо фундаментальная наука способна менять нашу повседневную жизнь к лучшему.
Модель Млечного Пути
Действительно, если хочется убедить в пользе какой-нибудь науки как можно большее число людей (а от этого, напоминают авторы, зависит и финансирование), проще всего апеллировать не к высоким материям, а к вполне бытовым ее достижениям. Таковые у астрономии имеются: будучи наукой экспериментальной, для решения своих все усложняющихся задач она требует самых совершенных технологий и методов.
Например, так называемый метод апертурного синтеза — совместную обработку изображений одного объекта, полученных с разных точек, — впервые придумали радиоастрономы для анализа данных, получаемых с радиотелескопов. Впоследствии эта разработка даже была отмечена Нобелевской премией по физике. А сегодня это важная составляющая компьютерной и магнитно-резонансной томографии — передовых методов медицинской диагностики.
Без радиоастрономии не обошлась и современная технология беспроводной передачи данных (WLAN) — в ней используются придуманные учеными алгоритмы обработки сигнала. Рентгеновская астрономия помогла усовершенствовать сканеры багажа в аэропортах. Кроме того, как говорят авторы документа для МАС, газовый хроматограф — прибор, улавливающий летучие вещества и установленный в тех же аэропортах, — впервые был разработан для одной из марсианский миссий. Правда, сама хроматография известна химикам уже более ста лет, но по меньшей мере какие-то отдельные технологии, рожденные в астрономии, в этом аппарате, по-видимому, применены.
Фундаментальная система координат (на которой отчасти основана работа и GPS, и ГЛОНАСС) также построена на вполне небесных объектах — квазарах. В этом смысле человечество как ориентировалось по звездам в далеком прошлом, так и продолжает делать это сейчас, просто более высокотехнологичным способом.
Астрономические знания используются и для того, чтобы противоракетные системы могли быстро отличить свет пламени ракетных двигателей от естественного быстрого околоземного объекта. Не говоря уже о самом мониторинге опасных объектов, сближающихся с Землей. Наконец, без изучения внутреннего строения и эволюции звезд наши представления о термоядерном синтезе были бы сильно неполными. Пока они дали нам только термоядерную бомбу, но в перспективе обещают решить вопрос обеспечения нашей цивилизации энергией. Наконец, надо ли напоминать, что без астрономии у нас вообще не было бы полетов в космос?
Список астротехнологий можно продолжать долго. И пусть повседневная научная работа не нацелена непосредственно на создание какой-нибудь новой полезной технологии, но для того чтобы все же создать таковую, необходимы люди с научным мышлением — способные формулировать нетривиальные задачи и показывать пути их решения.
Но авторы, разумеется, не сводят пользу астрономии к одним лишь разработанным с ее помощью технологиям. Они напоминают, что небесная наука — это принцип Коперника, ускоренное расширение Вселенной, множественность (возможно, обитаемых) миров. Это серьезное влияние на историю и культуру нашей цивилизации (а от себя добавим, что это в том числе и потрясающие обои для рабочего стола от «Хаббла»).
Наконец, это та cамая наука, которая, словами Галилея в пьесе Б. Брехта, «распространяет знания, добытые с помощью сомнений». И, «добывая знания обо всем и для всех, она стремится всех сделать сомневающимися». Она часть того, что называется научным мировоззрением, помогающим Человеку сопоставить себя с Вселенной. И непонятно, применим ли вообще здесь критерий практической пользы.