[Перевод] Новая карта «пустого» космоса ставит под сомнение представление о спокойной Галактике

Новая карта «пустого» космоса ставит под сомнение представление о спокойной Галактике

Простой

9 мин

968

Перевод

На протяжении десятилетий астрономы рассматривали межзвёздную среду как статичный фон для событий, происходящих во Вселенной. Теперь благодаря появлению трёхмерных карт её динамическая природа начинает проясняться

Возможно, вы думаете, что космическое пространство совершенно пустое. Однако эта кажущаяся пустота содержит едва заметный туман из водорода и других нейтральных атомов. В 2020 году космический аппарат НАСА New Horizons, уже миновавший орбиту Плутона, измерил показатель, позволяющий оценить количество окружающего его водорода. В пространстве между звёздами нашей Галактики, межзвёздной среде, New Horizons обнаружил около 130 атомов водорода на литр пространства.

Этот водород вместе с некоторым количеством гелия и других молекул в основном остался со времён Большого взрыва. Его запасы постоянно пополняются благодаря различным космическим явлениям, например звёздам, которые при рождении выбрасывают струи газа и пыли, а умирая, сбрасывают свои внешние оболочки.

Поскольку межзвёздная среда чрезвычайно разрежена и изменяется очень медленно, на протяжении последних пятидесяти лет астрономы практически не уделяли внимания её деталям, рассматривая её как неподвижный фон для более зрелищных событий во Вселенной.

Однако это почти пустое пространство устроено сложнее, чем кажется.

За последние несколько лет астрофизики существенно изменили наши представления о межзвёздной среде. Используя недавно созданные карты, охватывающие тысячи световых лет нашей Галактики, они обнаружили, что она вовсе не является таким спокойным и неизменным фоном, каким её считали исследователи. Напротив, значительная часть межзвёздной среды, по‑видимому, неустойчива. Этот вывод прямо противоречит ведущим теоретическим моделям, описанным в учебниках. Неожиданное открытие может помочь найти ответ на давно остающийся нерешённым вопрос о скорости звездообразования.

Горячее и холодное

В 1969 году исследователи Джордж Филд, Дональд Голдсмит и Харм Хабинг разработали модель поведения межзвёздной среды. Они предположили, что она существует в двух устойчивых состояниях: холодном и тёплом.

Когда газ и пыль перемещаются в пространстве, они под действием гравитации притягивают к себе дополнительное вещество, постепенно образуя облако. Такие облака обычно охлаждаются, поскольку быстро движущиеся молекулы сталкиваются с другими молекулами и теряют энергию. Их температура остаётся на уровне около 100 кельвинов, или примерно минус 173 градусов Цельсия.

Однако иногда газ и пыль оказываются слишком горячими, чтобы сжаться в холодное облако. Вместо этого они образуют разреженное облако. Такое облако гораздо сильнее подвержено воздействию близлежащих звёзд, которые передают ему дополнительную энергию в виде ультрафиолетового излучения. Этот процесс поддерживает постоянную температуру облака на уровне около 8000 кельвинов.

Учёные считали, что атомы межзвёздной среды практически мгновенно переходят либо в холодное, либо в тёплое состояние, почти не оставляя неустойчивого вещества в промежуточном состоянии.

В 1977 году Крис Макки и Джеремайя Острикер добавили к этой картине третью фазу: на фронтах ударных волн сверхновых газ может нагреваться ещё сильнее, превращаясь в раскалённую плазму с температурой около полумиллиона кельвинов. Однако даже в этой расширенной модели предполагалось, что атомарный газ за пределами областей, охваченных взрывами, достигает спокойного состояния с уравновешенным давлением.

Но проверить эту теорию было трудно. Холодный атомарный водород не излучает видимого света. Самый простой способ его обнаружения заключается в регистрации редкого атомного перехода: электрон и протон внутри атома водорода иногда переходят между двумя возможными состояниями. При этом излучается слабая радиоволна с длиной волны 21 сантиметр.

Уже более 70 лет астрономы направляют радиотелескопы в небо, пытаясь уловить эти едва различимые сигналы газа. Однако при наблюдении с Земли вдоль одной линии зрения они получают лишь запутанную смесь сигналов от перекрывающихся облаков. Разобраться в результатах всё равно что смотреть сквозь стопку полупрозрачных цветных пластиковых листов: их цвета смешиваются, и различить отдельные слои становится трудно.

Лишь в последние годы, с появлением новых космических телескопов, астрономы получили возможность исследовать пространство между звёздами достаточно подробно, чтобы разделить эти слои.

Подарок «Гайи»

Телескоп «Гайя», запущенный в 2013 году, открыл новые возможности для изучения межзвёздной среды, предоставив учёным трёхмерную карту звёзд в окрестностях Солнца.

Один из методов, использованных для создания этой карты, можно опробовать самостоятельно. Поднимите большой палец перед лицом и закройте сначала левый глаз, а затем правый. Если попеременно закрывать глаза, вы заметите, что палец словно перемещается относительно предметов, находящихся за ним. Чем ближе палец к лицу, тем сильнее изменяется его видимое положение. Это явление называется параллаксом.

«Гайя» наблюдала почти два миллиарда звёзд под разными углами по мере того, как Земля перемещалась с одной стороны орбиты вокруг Солнца на другую в ходе своего ежегодного орбитального движения. Изучение эффектов параллакса позволило исследователям определить расстояния от Земли до этих звёзд.

Затем учёные изучили, как свет этих звёзд ослабевал и краснел, проходя через межзвёздную среду на пути к «Гайе». Собрав данные с различных направлений и используя информацию о расстояниях, полученную с помощью параллакса, исследователи смогли лучше понять распределение плотности пыли между звёздами.

Однако преобразовать эту информацию в трёхмерную карту межзвёздной среды оказалось непросто. По словам Грегори Грина, астронома из Университета Вестлейк в Ханчжоу, Китай, одним и тем же данным может соответствовать множество различных конфигураций межзвёздной среды. Дополнительные данные позволяли астрономам точнее ограничивать возможные варианты, но одновременно усложняли вычисления. По словам Грина, задача заключается в том, чтобы выбрать наиболее физически правдоподобную конфигурацию, когда лежащие в её основе математические расчёты «становятся невозможно сложными».

За последнее десятилетие Грин и другие исследователи разработали сложные статистические методы для решения этой вычислительной задачи. В 2024 году другая группа учёных использовала эти инструменты, чтобы создать непрерывную трёхмерную карту плотности межзвёздной пыли внутри сферы диаметром более 4000 световых лет вокруг Солнца.

Карта пыли показала исследователям, где сосредоточена межзвёздная пыль, выявив плотные облака, разбросанные по пространству между звёздами. Но она не позволяла определить, насколько эта среда горячая или холодная. Чтобы понять весь диапазон температур межзвёздной среды, учёным требовалась вторая карта, показывающая, как происходит её нагрев. И эта карта должна была поступить из неожиданного источника.

В состоянии непрерывных изменений

Джонатан Шелест, студент Техниона в Хайфе, Израиль, вспоминает исследовательский семинар по астрофизике в 2024 году, на котором его преподаватель Шмуэль Биали показал студентам изображения газа и пыли, образующих в межзвёздной пустоте огромные структуры, подобные Столпам Творения. «Мне нравится представлять геометрию всего, что существует, — сказал Шелест. — Поэтому было совершенно естественно начать воображать всю эту динамику, всю структуру, красоту и богатство».

Сразу после лекции Шелест написал Биали электронное письмо с просьбой принять его в исследовательскую группу. По счастливому совпадению, Биали как раз незадолго до этого начал искать студента для изучения межзвёздной среды с помощью трёхмерного картографирования. Так началось их научное сотрудничество.

У Шелеста уже была карта межзвёздной пыли. План заключался в том, чтобы объединить её с картой ультрафиолетового излучения, нагревающего межзвёздную среду.

По счастливой случайности Биали обнаружил именно такую карту, разговорившись на конференции с астрофизиком Троем Портером из Стэнфордского университета. Портер уже составил карту, но ещё не успел её опубликовать.

Тогда Шелест, Биали и их коллеги приступили к объединению 200 гигабайт данных из двух карт. В каждой точке пространства они сопоставляли плотность пыли с интенсивностью излучения, чтобы понять, где межзвёздная среда горячая, а где холодная. В конце концов им удалось объединить информацию о пыли и излучении на единой трёхмерной сетке.

Затем Шелест решил выяснить, что может рассказать ему полученная карта. Самый большой сюрприз ожидал его при исследовании общего температурного распределения межзвёздной среды. Шелест обнаружил, что в наших галактических окрестностях 27 процентов межзвёздной среды находится в холодном состоянии, 32 процента — в тёплом, а оставшиеся 41 процент попадают прямо в запрещённую область неустойчивого промежуточного состояния. «Я подумал, что ошибся, — сказал Шелест. — Как можно прийти к научному руководителю и сообщить, что у тебя получилось столько неустойчивой среды?»

Однако карта, по‑видимому, работала правильно. Шелест не обнаружил в трёхмерной сетке никаких признаков артефактов или случайного статистического шума. Вместо этого неустойчивая межзвёздная среда образовывала огромные связные оболочки, полностью окружавшие холодные облака.

По словам Адама Гинзбурга, астронома из Университета Флориды, всё это вещество с промежуточной температурой, не горячее и не холодное, указывает на неполноту старой теории. «Что‑то воздействует на вещество, которое, согласно статической теории, должно находиться в одном из двух других состояний, перемешивает его и вынуждает переходить из одного состояния в другое».

Десика Нараянан, астрофизик из Университета Флориды, использует аналогию с живым организмом. «Подобно тому как кровь в вашем теле содержит продукты обмена веществ или кислород и переносит различные вещества из одного места в другое, — сказал он, — межзвёздная среда делает то же самое, только с энергией, и постоянно находится в состоянии изменений».

Осторожный подход

В тот июльский день 2026 года, когда группа опубликовала свою статью, почтовый ящик Шелеста заполнился сообщениями от воодушевлённых астрономов и предложениями о сотрудничестве. Тем не менее исследователи призывают к осторожности, прежде чем переписывать учебники.

По словам Макки, модель могла переоценить количество неустойчивой межзвёздной среды, если холодные и тёплые области располагались слишком близко друг к другу, чтобы модель могла их различить. Другая возможность заключается в том, что исследователей мог ввести в заблуждение метод расчёта общего распределения газа и пыли, отметил Филипп Франк, астрофизик из Института астрофизики частиц и космологии Кавли при Стэнфордском университете. Учёные использовали «среднее по ансамблю», метод вычисления, который по своей природе имеет тенденцию сглаживать резкие различия. Если холодное облако резко переходило в тёплое, этот метод искусственно превращал бы резкое падение плотности в более плавный градиент, что приводило бы к завышению доли неустойчивой межзвёздной среды.

Шелест и Биали, чьё исследование в настоящее время проходит рецензирование, признают, что ограниченное разрешение и сглаживание карт действительно представляют собой проблемы. Однако они утверждают, что одно лишь математическое размытие не может объяснить большую часть обнаруженной неустойчивой межзвёздной среды. По словам авторов, когда они проверили свою модель на совершенно другой карте пыли с более низким разрешением, доля неустойчивой среды изменилась всего примерно на пять процентов.

Бурлящее звездообразование

Галактики удивительно неэффективно превращают исходное вещество, газ и пыль, в звёзды. На протяжении десятилетий компьютерные модели не могли убедительно объяснить почему. Новая карта предлагает возможный ответ: звездообразование подавляется постоянным циклом нагрева и охлаждения, который приводит межзвёздную среду в непрерывное движение.

«Причина чрезвычайно низкой эффективности звездообразования заключается в том, что обратная связь нагревает окружающий газ и оказывает на него давление», — сказала Анна Розен, астрофизик из Университета штата Калифорния в Сан‑Диего. Это постоянное перемешивание может объяснить, почему классические модели, предполагающие, что межзвёздная среда находится в спокойном равновесии, не вполне соответствуют реальности. По словам Розен, модели дают нам «физически обоснованные моментальные снимки», неизменные изображения участков горячей и холодной межзвёздной среды, «но между этими снимками продолжает происходить множество событий».

Если эта публикация вас вдохновила и вы хотите поддержать автора — не стесняйтесь нажать на кнопку