Галактики. Большой путеводитель по Вселенной - Джеймс Гич

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 многие другие телескопы, он размещается в куполе, защищающем сам телескоп, вспомогательную инфраструктуру (компьютеры, электронику, криогенное оборудование и прочие инструменты) и комнату управления. Купол оберегает все содержимое от внешнего мира, что особенно важно на вершине Мауна-Кеа, где окружающая среда может быть очень суровой – с минусовыми температурами и бурными ветрами, продувающими все на этой горе. У купола есть отверстие, которое позволяет тарелке видеть небо, а вращение позволяет обозревать разные части небесной сферы. Когда купол открывается, между тарелкой и небом остается последний физический барьер – самый большой в мире кусок GoreTex. Это еще один защитный слой, и так вышло, что для субмиллиметровых фотонов он на 97 % прозрачнее, чем стекло. Если бы наши глаза были чувствительны к субмиллиметровым фотонам, то этот серый непрозрачный лист был бы похож на стекло.

Сейчас SCUBA-2 – относительно новый инструмент, позволяющий нам проводить невероятные научные эксперименты. Благодаря его размерам и мощным сверхчувствительным детекторам регистрация субмиллиметровых фотонов стала более эффективной. Его камера намного больше, чем у его предшественника; это значительно упрощает создание больших карт неба, что важно для исследовательских работ. К сожалению, астрономические фотоны из далеких галактик, которые мы пытаемся обнаружить, исчезают в глубоком и бурном море окружающего излучения, такого как излучение атмосферы и даже тепловое излучение самого телескопа – это доминирующие сигналы, которые видит камера. Любой астрономический сигнал – лишь крошечный проблеск на этом фоне, поэтому прежде чем мы сможем создать научное изображение, нужно исключить эти загрязняющие компоненты. К счастью, у нас есть прекрасное программное обеспечение для такой работы, так что и доминирующие сигналы можно эффективно смоделировать и удалить, отфильтровав данные, которые записывает каждый болометр, когда SCUBA-2 сканирует небо. Но почему мы наблюдаем эти субмиллиметровые фотоны, а не какую-то другую длину волны?

Это изображение галактики Андромеды на длинноволновой части инфракрасной области спектра, полученное космической обсерваторией «Гершель». Излучение в дальнем инфракрасном диапазоне отслеживает холодную пыль, которая в галактиках, подобных M31, концентрируется в спиральных рукавах, что наглядно показано на этой иллюстрации. Пятна, где излучение ярче, указывают на расположение плотных областей звездообразования: там ярко светится пыль, покрывающая газовые облака, в которых образуются новые звезды

Проект «Широкоугольный инфракрасный обзорный исследователь» (WISE)

Мы видели, как галактики могут активно формировать новые звезды, и обратили внимание, что эта активность наблюдается на ультрафиолетовой и видимой длинах волн – прямом излучении самих новых массивных звезд, а также через линии эмиссии, испускаемые ионизированным газом, находящимся вокруг этих звезд. Поток, который мы измеряем, скажем, в УФ-полосе, может быть преобразован в скорость звездообразования галактики, потому что мы знаем количество УФ-фотонов, испускаемых этими молодыми звездами. Аналогично общее количество, например, H-альфа-фотонов, излучаемых ионизированным газом в сопутствующих областях HII, напрямую связано с количеством УФ-фотонов, излучаемых вновь образованными звездами. Но мы также видели, как межзвездная пыль может блокировать этот свет, снижая точность наших оценок скорости звездообразования. Мы называем этот эффект «исчезновением» из-за вредного воздействия на измеряемый поток. Галактики, которые энергично формируют звезды, также могут быть очень пыльными, или как минимум такими будут их области звездообразования, из-за чего значительная часть света от новых звезд поглощается и рассеивается пылью. И если мы действительно хотим понять, как скорости звездообразования в галактиках различаются в зависимости от их типов и периода космического времени, то в этих условиях нам придется столкнуться с настоящей проблемой.