Галактика и сверхбыстрый газ родили экстремалов

Текст: Артём Тунцов/Infox.ru

Несколько экстремальных звездных скоплений, похоже, подтверждают теорию о столкновении Млечного Пути со сверхбыстрыми облаками газа. Причем одно скопление образовалось совсем недавно.

Рассеянные звездные скопления -- основные «фабрики» по производству звезд в нашей Галактике. Лишь в больших облаках межзвездного газа могут возникнуть подходящие условия для того, чтобы они начали остывать и сжиматься, в конечном итоге разбиваясь на десятки, сотни и тысячи молодых звезд. Это и есть рассеянные скопления.

В дальнейшем они теряют остатки газа, их звезды расплываются в разные стороны и в конечном итоге смешиваются с миллиардами других светил, кружащихся в диске нашей Галактики. Как образовались эти миллиарды звезд, мы пока не можем сказать со 100-процентной уверенностью, но весьма вероятно, что весь звездный диск -- это миллионы перемешавшихся рассеянных скоплений.

Молодость сумела

Рождение звезд продолжается и в наши дни, так что большинство не растворившихся еще в общей толпе скоплений -- молодые образования. Иногда на их фоне видно даже родительское газовое облако, а из одного облака может появиться несколько скоплений. Примерно такую картину астрономы из Южной европейской обсерватории увидели на расстоянии в восемь тысяч световых лет в гигантском звездном облаке, окружающем одну из ярчайших звезд Галактики -- η («эту») Киля.

В нескольких десятках световых лет от этого светила находится рассеянное скопление, известное ученым под обозначением Trumpler 14. В нем есть свой исполин -- сверхгигант HD 93129A, светимость которого в два с лишним миллиона раз превосходит солнечную, а также еще несколько тысяч звезд, упакованных в небольшой звездный рой поперечником меньше десятка световых лет. Небо на любой из планет, окружающих звезды Trumpler 14, должно выглядеть завораживающе -- для сравнения: в окрестностях Солнца в пределах того же объема найдется лишь с десяток звезд, и ни одна из них и близко не может сравниться с HD 93129A.

Адаптивная оптикаобщее название активных технологий по исправлению искажений астрономических изображений, вносимых неоднородностями в земной атмосфере, в реальном времени. Как правило, достигается с помощью подвижных и деформируемых оптических элементов небольшого размера, которые компенсируют атмосферное дрожание и расплывание изображений.

Чтобы подробно исследовать скопление, ученые под руководством Угеса Саны из Университета Амстердама сделали фотографии Trumpler 14 с помощью уникальной системы адаптивной оптики MAD, присоединенной к одному из восьмиметровых телескопов VLT на горе Ла-Силья в Чили. Адаптивная оптика позволяет исправить искажения, которые вносит в изображение земная атмосфера, но обычно в состоянии сделать это лишь в пределах очень небольшого поля зрения. MAD умеет получать четкие изображения больших масштабов, так что двух экспозиций неба хватило, чтобы получить по паре (в двух цветовых фильтрах) подробных снимков примерно 2 тыс. звезд скопления. С обычными адаптивными системами потребовались бы, может, и не 2 тыс., но несколько сот пар снимков.

Измерив блеск и цвет всех звезд, астрономы смогли вычислить возраст скопления. Все его звезды родились в одно и то же время, но эволюционировали тем быстрее, чем больше масса светила. Большие звезды быстрее сжигают свой запас ядерного топлива и распухают, одновременно краснея и увеличиваясь в блеске. Сана и его коллеги определили, какие из звезд уже начали краснеть, а какие еще жгут водород в своих недрах, и тут же смогли назвать возраст скопления -- всего полмиллиона лет. Это ничтожный миг в масштабах эволюции звезд вроде Солнца. Trumpler 14 -- одно из самых молодых скоплений, известных астрономам. Когда загорались его первые звезды, вид нашей планеты почти не отличался от нынешнего, и разве что человека разумного в его современном виде на ней не было.

Старость помогла

Тем временем ученые под руководством Дейва Ванде-Путте из Университетского колледжа Лондона провели систематический анализ орбит почти 500 других рассеянных скоплений Галактики и нашли среди них «экстремалов» с противоположной стороны. Четыре скопления, выделенных английскими астрономами, -- среди самых старых таких образований. Им по 2-3 млрд лет, притом что подавляющее большинство рассеянных скоплений не дотягивает и до 500 млн лет.

Но главная особенность четверки даже не возраст, а происхождение. Ванде-Путте и его коллеги предполагают, что все четыре скопления возникли при столкновении нашей Галактики с очень быстрыми облаками газа, которые буквально врезались в диск Млечного Пути. Такие образования, так называемые сверхбыстрые облака газа, были открыты всего пару десятилетий назад, и откуда они берутся, ученые до сих пор сказать наверняка не могут. Теоретики много раз списывали на их столкновения с галактическим диском появление всяких необычных структур -- и в нашей Галактике (например, речь шла о поясе Гулда), и в других системах. Однако каких-то более надежных следов этих происшествий до сих пор не было.

Английские астрономы подозревают, что четыре рассеянных скопления -- с номерами 21, 32 и 99 по каталогу Berkeley, а также номер 66 по каталогу Melotte -- как раз те самые следы. Ученые воспользовались данными о скорости этих звездных систем и их положении в Галактике и, используя современные модели ее гравитационного потенциала, проследили траектории скоплений на миллиарды лет в прошлое.

Колебания в орбитеТе, кто изучал в школе астрономию, могут помнить, что планеты движутся по вытянутым эллиптическим орбитам. Это замкнутые траектории, так что когда, скажем, Марс завершает полный круг вокруг Солнца, он оказывается на том же расстоянии от светила, где и начал его, и на той же высоте над плоскостью орбиты Земли. То есть планета не только вращается, но и совершает колебания – радиальные (к Солнцу -- от Солнца) и вертикальные (вверх-вниз). В случае замкнутой траектории частоты этих колебаний совпадают друг с другом и с частотой обращения вокруг Солнца (иначе орбита не была бы замкнутой), так что о каких-то колебаниях можно и не задумываться. Однако не все знают, что замкнутость планетных орбит -- в некотором смысле случайность. Если бы закон всемирного тяготения был бы не законом обратных квадратов, а законом обратных кубов или даже квадратов с небольшой добавкой, орбиты были бы не замкнутыми, а планеты бы в своем беге вокруг Солнца выписывали сложные розетки.

Как правило, траектория скопления выглядит как что-то среднее между плетеной соломенной розеткой и венком из одуванчиков -- длинной линией, извивающейся вокруг более или менее округлой траектории, обнимающей галактический центр. В этом проявляется нетривиальность поля тяготения Галактики, в котором частоты колебаний по радиальной и вертикальной координате совсем не обязаны совпадать ни друг с другом, ни с периодом обращения скопления вокруг центра Галактики.

Размах колебаний по вертикальной (перпендикулярной диску) координате редко превосходит тысячу световых лет, что похоже на толщину самого диска. Именно поэтому скопления проводят большую часть времени среди миллиардов других звезд и со временем смешиваются с их потоком, не выделяясь более на фоне других светил. Да и вдоль радиуса скопления обычно сильно не «гуляют» -- как исходная газовая туманность вращалась вокруг галактического центра по почти круговой орбите, не меняя своего расстояния от него, так продолжают крутиться и получившиеся из него звезды.

Однако у четверки, выделенной Ванде-Путте, особенными оказались и размах вертикальных колебаний, и особенности плоского движения. Они то взмывают над диском на 5-10 тыс. световых лет, то ныряют под него на такое же расстояние. И по радиальной координате -- то очень близко подходят к центру Галактики, то вдруг уходят очень далеко. Ну а кроме того, звезды этих скоплений -- старые, и в них мало тяжелых химических элементов, которые варятся в недрах звезд и оттого становятся все более многочисленными с каждым новым поколением светил, родившихся из термоядерного «пепла» предшественников.

Столкновение с альтернативой

По мнению авторов работы, которой предстоит выйти в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, самое простое объяснение таким свойствам особенной четверки -- их рождение из тех самых сверхбыстрых облаков, врезавшихся в диск нашей Галактики. Отсюда и низкое содержание металлов (исходный газ долго летал далеко от звезд диска, а потому почти не обогатился «продуктами горения»), и странные орбиты, частично унаследованные от самих облаков (частично -- потому, что столкновение с диском частично погасило высокую скорость). Отсюда и возраст: сверхскоростные облака -- редкие гости, и последние столкновения их с диском могли случиться миллиарды лет назад.

Тяжелые элементыАстрономы называют тяжелыми все элементы тяжелее гелия, а чтобы окончательно всех запутать, еще и зовут их металлами. Так что для них тяжелыми и металлами являются и алюминий с литием, и кислород с углеродом.

Правда, можно придумать и альтернативное объяснение. Большой возраст вполне естествен для орбит, значительная часть которых проходит на большой высоте над диском: они мало взаимодействовали с его звездами, а потому и не растворились среди других светил; среди скоплений с нормальными орбитами стариков не встретишь, просто потому, что они давно затерялись в диске. Понятно и низкое содержание тяжелых элементов -- на большой высоте облака и скопления реже встречаются с богатыми звездным пеплом выбросами старых звезд.

Впрочем, на вопрос, откуда такая орбита взялась изначально, это объяснение ответа не дает. Да и не такое оно захватывающее, как картина врезающихся в диск нашей Галактики сверхбыстрых облаков газа.