Галактики. Большой путеводитель по Вселенной - Джеймс Гич

Это изображение скопления Abell S0740 четко показывает несколько типов галактик. Здесь преобладает большая яркая эллиптическая галактика, похожая на гигантский звездный шар. Рядом с эллиптической видны спиральные и линзовидные галактики, а также многие другие на заднем плане. Эллиптическая галактика совершенно бесформенна по сравнению со спиралями: она отличается очень ровным звездным распределением, полос пыли не видно, а все звезды – одинакового оттенка. Так происходит потому, что эллиптические галактики, как правило, мертвы, ведь при небольшом количестве оставшегося газа в них больше не могут зарождаться новые звезды. Равномерный красный цвет последних указывает на старое звездное население: бо́льшая часть эволюции этой галактики в прошлом, а слияния и взаимодействия, вероятно, были важны для ее формирования. Слияния галактик могут разрушать диски с вращательной поддержкой, посылать звезды на случайные орбиты и приводить к более выпуклой морфологии с поддержкой давления

На снимке – самое сердце богатого скопления галактик, где преобладают множество красно-желтых эллиптических и линзовидных галактик. Полоса света рядом с самой большой эллиптической галактикой в правой части этого изображения представляет собой более отдаленную галактику вдоль той же линии обзора, свет которой должен был пройти через это скопление на пути к нам. В ходе этого процесса искривление пространства-времени, вызванное большой массой скопления галактик (как звездного вещества, которое вы видите на этом изображении, так и внутрикластерного газа вокруг и «гало» темной материи, в которой находятся эти галактики), исказило и увеличило свет этой фоновой галактики: он был гравитационно линзирован. Вверху слева мы видим галактику, которая кажется потревоженной. Синие пятна и потоки исходят от нее, как кометы. Это процесс удаления из галактики газа в результате давления агрессивных сред извне в действии. Когда галактика проходит через такое богатое скопление, то сталкивается с горячей газовой атмосферой, или плазмой. Эта атмосфера не видна на изображении, потому что она не излучает видимый свет; проще всего ее увидеть с помощью рентгеновских лучей. Тем не менее влияние атмосферы на галактику видно: как и сильный ветер, который может своим порывом вырвать из рук зонт, плазма оказывает давление на диск этой галактики, удаляя газ. Возмущение может привести к коллапсу плотных участков газа и образованию звезд, о чем свидетельствуют синие цвета потоков. Обратите внимание, что эллиптические галактики, как правило, обладают очень малым запасом газа или вообще его не имеют, поэтому последствия давления извне не так заметны. Так что здесь мы видим один из примеров влияния местной среды галактики на ее эволюцию

Изображения галактик, наблюдаемых в инфракрасных диапазонах с помощью космического телескопа NASA «Широкоугольный инфракрасный обзорный исследователь» (англ. Wide-field Infrared Survey Explorer, WISE), который картировал все небо на длинах волн 3, 4, 4, 6, 12 и 22 микрона

Чтобы понять, как происходит эволюция галактик, нужно заглянуть в прошлое. Галактики во Вселенной не всегда были в том виде, в каком мы их видим сегодня. Структуры, которые мы идентифицируем как галактики, – отдельные объекты темной материи, звезд, газа и пыли, связанные гравитацией, – должны были образовываться и развиваться с течением времени, превращаясь в сложные композиции из горячей, почти однородной смеси материи, существовавшей вскоре после начала Вселенной. Для образования галактик требовалось, чтобы горячая первичная смесь, которая содержала основные элементы – водород, гелий и меньшие количества легких элементов дейтерия и лития – охлаждалась и распадалась на плотные комки. Если бы не существовало никакого механизма для этого, то отдельные атомы водорода не могли бы конгломерироваться в облаках, которые затем не могли бы соединяться вместе и образовывать молекулярные облака, а те, в свою очередь, не могли бы образовывать звезды в результате ядерного синтеза. В общем, галактики не смогли бы сформироваться. Но галактики появились из того раннего водоворота. Во время путешествия от первичного состояния вскоре после Большого взрыва и до наших дней свойства галактик изменились, и отслеживание этих изменений – одна из целей внегалактической астрономии. Одним из ключевых изменений стала скорость роста галактик, что отражается в быстроте их звездообразования. Это следующий шаг в нашей истории.

«Хейл Похаку» – резиденция для астрономов, работающих с многочисленными телескопами, расположенными на вершине Мауна-Кеа в 4 км над волнами Тихого океана. Мауна-Кеа – гора, которая вместе со своим соседом Мауна-Лоа возвышается над Большим островом Гавайи. «Хейл Похаку» находится на высоте 2700 м, чуть ниже вершины. Здесь достаточно удобно есть, спать и трудиться, когда не работают телескопы, и достаточно низко, чтобы не оказаться в «опасной зоне», где у человека может возникнуть острая высотная болезнь. Находясь у моря, иногда можно увидеть белые купола, сверкающие в солнечном свете на вершине, но часто предгорья окутаны густыми облаками, когда теплый и влажный тихоокеанский воздух поднимается вверх. У подножия Мауна-Кеа воздух очень густой, а если подняться на нее, воздух разрежается, небо очищается – и вы оказываетесь на 4 км ближе к звездам.

Один из телескопов, которые я использую на Мауна-Кеа, – телескоп Джеймса Клерка Максвелла, в частности субмиллиметровый болометрический массив (англ. Submillimetre Common User Bolometer Array, SCUBA) второго поколения. Первый SCUBA закончил свою работу несколько лет назад, а его пост заняло значительное техническое улучшение в этой области астрономии – SCUBA-2. Этот комплекс предназначен для обнаружения света на субмиллиметровых длинах волн около 0,45 и 0,85 мм. Эти конкретные длины волн не случайны: выбор диктует нам атмосфера Земли, потому что по большей части она очень успешно поглощает инфракрасные и субмиллиметровые волны. Однако в атмосфере есть узкие «окна», через которые могут проходить фотоны определенных частот, и два из них пропускают именно те длины волн, которые видит SCUBA-2. Тем не менее наиболее важным условием для пропуска фотонов является низкая влажность воздуха, и такие места, как Мауна-Кеа и чилийская Атакама, идеальны с этой точки зрения.

Экстремальные галактики, скрытые пылью

Субмиллиметровое излучение – это излучение между радио-и инфракрасным диапазонами в электромагнитном спектре. Телескоп Джеймса Клерка Максвелла не похож на оптический; скорее, он напоминает классическую радиоантенну: его принимающая тарелка шириной 15 м сделана не из полированного стекла, а из 276 алюминиевых панелей, способных захватывать субмиллиметровые фотоны. Они отражаются на меньшем вторичном зеркале, а затем на детекторе (в данном случае – на SCUBA-2, но у этого телескопа есть и другие инструменты). Как и