Галактики. Большой путеводитель по Вселенной - Джеймс Гич

На изображении – иррегулярная галактика со вспышками звездообразования М82, которую часто описывают как архетипическую галактику с активным процессом формирования звезд. Этот снимок показывает сине-желтый диск, в плотных газовых резервуарах которого происходит интенсивный процесс рождения звезд. Красная нитевидная эмиссия, распространяющаяся над и под диском, – свет ионизированного газообразного водорода. То, что мы видим, – это возникающий суперветер: газ и пыль буквально выдуваются из галактики энергией, порождаемой звездными ветрами, радиационным давлением и сверхновыми в местах возникновения звезд глубоко в галактике. Многие галактики, в которых происходит интенсивный процесс возникновения звезд, на некотором уровне порождают эти ветра, играющие роль в регулировании скорости роста галактик путем контроля количества газа, который он может быть использован для создания звезд. Какое-то количество этого выброшенного материала будет позже «падать» на галактику под действием силы тяжести, перераспределяя металлы, но в крайних случаях газ может быть выброшен из галактики, чтобы никогда не вернуться, как ракета, покидающая орбиту Земли. Сегодня понимание астрофизики галактических ветров и потоков – ключевая область исследований внегалактической астрономии

История формирования звезд

Приблизительно 8–10 млрд лет назад средняя скорость звездообразования в галактиках была примерно в 10 раз выше, чем сегодня, что, предположительно, стало пиком космической активности. Если мы посмотрим на еще более отдаленные и, следовательно, более молодые галактики, то окажется, что средняя скорость звездообразования снова постепенно снижается по мере того, как мы приближаемся к Большому взрыву – событию, после которого началось формирование галактик. В целом это ожидаемо: вокруг не всегда были галактики – в какой-то момент они должны были сформироваться и, по-видимому, нарастить свою звездную активность. Экспериментальные данные в отношении космической истории (по крайней мере, в части эволюции галактик) 10–12 млрд лет назад намного беднее: неопределенности слишком много, из-за чего затрудняются наблюдения на очень больших космических расстояниях. Мы знаем, что на протяжении бо́льшей части истории Вселенной скорость роста галактик стремительно снижалась. Это, пожалуй, самое наглядное и важное свидетельство изменений популяции галактики в ходе космической истории, кульминация которых – то, что мы видим вокруг себя сегодня (и, конечно, эта эволюция будет продолжаться в будущем).

Существует много факторов, влияющих на снижение глобальной скорости звездообразования, но одни из основных причин – потребление газовых запасов и сокращение новых поступлений газа в галактиках с течением времени. Скорость звездообразования в галактике тесно связана с общей массой и плотностью газа внутри нее: чем больше газа, тем выше скорость звездообразования. Мы знаем это из детальных исследований местных галактик. В прошлом в галактиках было больше газа, потому что первоначальные резервуары, которые конденсировались при первом разрушении галактики, еще не были превращены в звезды, и аккреция нового газа из межгалактического пространства происходила с более высокой скоростью. Со временем этот запас истощается. Если галактика останется изолированной, то газ, накопленный в диске, будет медленно стекать, превращаясь в звездное население: скорость звездообразования падает по мере того, как топливо расходуется в течение миллиардов лет. Как мы уже видели, если произойдет слияние систем, как в галактиках Антенны, то может произойти звездный взрыв, который заставит резко возрасти скорость звездообразования галактики еще на несколько сотен миллионов лет. За это время газ будет израсходован быстрее.

Конкурируя с потреблением газа для формирования звезд, которое обусловлено ненасытной гравитацией, в галактиках также действует эффект обратной связи звезд и черных дыр, который, как вы помните, представляет собой механизм регуляции роста, предотвращающий слишком быстрое образование звезд за счет слишком большого количества газа. Этот процесс предотвращает переполнение Вселенной чрезмерным количеством очень массивных галактик и позволяет эволюции скорости звездообразования принимать на диаграмме форму покатого холма, а не отвесной скалы. Опять же, природа обратной связи и ее эффективность варьируются от галактики к галактике в зависимости от массы каждой системы (гораздо проще удалить газ из галактики с малой массой, такой как карлик, чем из массивной, в частности потому, что гравитационное сцепление, удерживающее газ в ней, намного сильнее).

Галактики не ограничены только тем газом, который попадал в них на этапе их формирования. Со временем здесь может накапливаться и новый газ, который высасывается из межгалактического пространства. Мы говорим, что этот газ гравитационно охлаждается в гало темной материи, потому что он теряет потенциальную гравитационную энергию, когда переходит из динамически «горячего» состояния в «холодное» под действием силы тяжести. Пополнение топлива, необходимого для формирования звезд, означает, что скорость снижения запасов газового резервуара не так велика, как могла быть, если бы не было новых «поставок». Однако количество газа, которое накапливается таким образом, также варьируется от галактики к галактике: скорость наполнения существенно зависит от массы галактики.

Итак, разные галактики проходят разные пути образования звезд. В конце концов, потребление газа является выигрышным фактором, поскольку со временем не только уменьшается пополнение запасов за счет межгалактического пространства; в некоторых случаях влияние факторов обратной связи и окружающей среды, например таких, как скопления галактических кластеров, также приводит к предотвращению образования газа и новых звезд. В результате мы наблюдаем замедление общей скорости роста галактик с течением времени.

Описанное представляет собой очень упрощенную широкую картину эволюции галактики, и детали этих процессов все еще разрабатываются и изучаются. Важно то, что эволюция галактик не одинакова: их индивидуальные истории звездообразования определяются комбинацией внутренних параметров, таких как общая масса и местное окружение. Местное окружение галактики – очень значимый фактор, который может влиять на скорость слияний и взаимодействий галактик, а также приводить к запуску других внешних процессов, которые могут воздействовать на галактические свойства. Как мы уже видели, наиболее экстремальные условия возникают в кластерах. Галактики в скоплениях проходят через большой круг астрофизических процессов, которые невозможны в других местах: давление, гравитационное приливное «преследование», «голодание» и «удушение» газа. Эта довольно сомнительная номенклатура отражает интенсивную роль некоторых эффектов, подобных перечисленным, в процессе изменения галактики. «Преследование», например, относится к многочисленным высокоскоростным проходам между галактиками в переполненных скоплениях, которые происходят при относительных скоростях– слишком больших для слияния, но достаточных, чтобы вызвать гравитационные возмущения в галактиках, когда они вращаются в пределах гравитационной ямы скопления. Со временем это может изменить конфигурацию звездного распределения в галактиках внутри скоплений и морфологически преобразовать их.