История Галактики в «Космическом глазу»

Астрономы в абсолютном своём большинстве лишены возможности проводить эксперименты над предметами своих исследований. Уж слишком далеко они находятся, слишком долгие, астрономические, промежутки времени занимают происходящие в них процессы. К тому же масштабы этих процессов таковы, что ни о каком вмешательстве в небесные дела и речи быть не может.

Зато самих объектов для исследований – целая Вселенная, и сами законы нашего мира очень часто помогают астрономам в их работе.

Например, непосредственно увидеть, как эволюционируют галактики, эти огромные конгломераты из многих миллиардов звёзд, не представляется возможным: характерный временной масштаб, в котором происходят заметные изменения в их строении, в миллионы раз больше продолжительности жизни не только отдельных людей, но и всей нашей цивилизации. Но вместо этого можно просто смотреть на множество разных галактик, которыми буквально усыпано небо при наблюдениях в крупные телескопы, и сравнивать, чем близкие галактики отличаются от далёких.

Дело в том что старт всем процессам во всех частях Вселенной был, по современным представлениям, дан одновременно – в момент Большого взрыва около 13,7 миллиардов лет назад, после которого наш мир до сих пор продолжает расширяться. Свет же идёт с конечной скоростью, и наблюдая галактики, находящиеся от нас на расстоянии в 5 миллиардов световых лет, можно составить представление о том, как наша собственная Галактика – Млечный путь – выглядела через 8,7 миллиарда лет после начала времён, когда образовывалось Солнце. А рассматривая галактики на расстоянии в 10 миллиардов световых лет, – узнать, что с ней могло происходить 5 миллиардами лет раньше.

Правда, разглядывать объекты, находящиеся так далеко, очень сложно. Их размеры и яркость ничтожно малы, и чтобы за целую ночь накопить всего тысячу световых квантов, приходится строить огромные телескопы, устанавливать их на вершинах высоких гор, где наблюдениям меньше мешает атмосфера, а то и вовсе выводить в космос, где не мешают ни воздушный океан, ни рассеянный им свет Солнца.

Но иногда природа преподносит и совсем уж приятные сюрпризы. На помощь созданным человеком телескопам приходят телескопы естественные.

Это полезное явление называется гравитационным линзированием. Гигантских стеклянных линз в космосе, конечно, нет. Но искривлять свет может не только кривая стеклянная поверхность, но и гравитационное поле – проходя мимо массивного тела, например, галактики, световые лучи от далёкого объекта изгибаются, как и в стеклянном телескопе прижимаясь к оптической оси, соединяющей источник и линзу. В этом случае объект, расположенный за линзой, покажется нам крупнее, а света от него придёт пропорционально больше.

До сих пор это явление используют, в основном, для изучения свойств самих линз – например, измерения их масс и структуры распределения вещества в них. Гравитационное линзирование – по сути, единственный способ изучения загадочной тёмной материи, которая не излучает и не поглощает электромагнитного излучения, но обладает массой и притягивает к себе не только обычные атомы, но и световые лучи.

В последнее время, однако, гравитационные линзы стали использовать и как настоящие космические телескопы. Первый пример такого применения линз показали несколько лет назад французский астроном Жан-Поль Книб и его коллеги, сумевшие разглядеть галактики, которым всего несколько сот миллионов лет от роду, за массивными галактическими скоплениями, расположенными на луче зрения.

А в последнем номере Nature учёные под руководством Дэниэла Старка из Калифорнийского технологического института в Пасадене опубликовали статью, в которой привели подробное описание галактики MACS J2135-0102.

Из него становится понятным, как образовывались звёздные системы, которым через 10 миллиардов лет суждено было стать гигантскими спиральными галактиками вроде нашего Млечного пути.

Сам объект MACS J2135-0102, расположенный в созвездии Водолея, был открыт несколько лет назад с помощью Космического телескопа имени Хаббла и представляет собой практически полное кольцо – так называемое кольцо Эйнштейна–Хвольсона, в которое далёкий источник спроецировало гравитационное поле эллиптической галактики-линзы, находящейся практически точно между нами и источником, примерно посередине этого пути.

Расстояние до галактики-линзы составляет около 6,5 миллиардов световых лет, до галактики-источника – 11,6 миллиарда световых лет, то есть свет, который мы видим размазанным по кольцу, был испущен, когда Вселенной было чуть больше 2 миллиардов лет от роду. Чтобы по-настоящему проникнуться масштабами, представьте себе, что в то время область пространства, где теперь находимся мы, находилась «за горизонтом» той части мира, где расположен источник, и лишь много позднее этот горизонт, расширяясь со скоростью света, добрался до нас.

MACS J2135-0102 прозвали «Космическим глазом» – за характерную форму. Кто бы мог подумать, что этот глаз позволит нам увидеть, как появились галактики, похожие на нашу собственную. Благодаря увеличению в этой космической лупе 10-метровый телескоп имени Кека, расположенный на Гавайях, смог накопить достаточно света разных длин волн, чтобы определить спектральный состав излучения для каждого отдельного элемента изображения, а сами элементы эти соответствуют участкам галактики всего около 500 световых лет в поперечнике. В таких подробностях далёкие галактики до сих пор ещё никто не видел – даже Космический телескоп имени Хаббла; а уж получить спектры для каждого пикселя, как это сделал прибор OSIRIS телескопа имени Кека, космический ветеран и вовсе не в состоянии.

Имея на руках полученные данные, учёные воссоздали облик и характер движения вещества в юной галактике, расположенной буквально на краю света.

На восстановленном изображении астрономам предстала небольшая по современным меркам, но вполне себе средняя для молодой Вселенной галактика. Изучение смещения спектральных линий водорода и дважды ионизованного кислорода помогло установить скорости движения отдельных участков источника по отношению к его центру. Как выяснилось, скорость эта плавно растёт от одного края изображения к другому – северная часть галактики движется от нас, а южная – к нам.

На деле это означает, что мы видим вращение галактики, притом вращение плавное и спокойное. Его скорость позволяет оценить общую массу вещества в центре, которая оказалась равной примерно 2 миллиардам масс Солнца. Примерно такова и оценка массы всех светящихся звёзд, а значит, во-первых, в центре этой галактики нет какой-нибудь особо массивной чёрной дыры, которая бы весила, скажем, с десяток миллиардов масс Солнца, а во-вторых, в центре правит бал уже не тёмная материя, а обычное вещество.

По мнению авторов работы, в MACS J2135-0102 мы наблюдаем зарождение центральной области гигантской галактики.

Такая область есть и в Млечном пути – она называется «балджем», или вздутием, выпирающим по обе стороны галактического диска в центре нашей звёздной спирали. То обстоятельство, что никаких «посторонних» включений в профиле скорости нет и выглядит он очень ровным и гладким, по мнению авторов, доказывает, что «балджи» образуются при постепенном падении на центр окружающего его газа, а не путём поглощения карликовых галактик. Из выпавшего на центр галактики газа сразу (сразу – по астрономическим масштабам, то есть за миллионы лет) рождаются звёзды, что и позволяет MACS J2135-0102 так ярко светиться. Наблюдения в субмиллиметровом радиодиапазоне показали, что в этой галактике действительно много холодного газа, в котором значительную часть составляют молекулы водорода H₂; из такого материала звёзды образовывать особенно удобно.

Что представляет собой «Космический глаз» в наши дни, сказать можно будет лишь через многие миллиарды лет, когда до нас доберётся свет, испущенный галактикой сегодня. Но задатки у неё самые замечательные. Не исключено, что за те 11,6 миллиардов лет истории, которые пока скрыты от нас, к «балджу» за счёт поглощения галактик-соседей присоединился диск, в диске появились спиральные рукава, а в одном из них родилась звезда с планетной системой. И кто знает, может быть, астрономы одной из этих планет сейчас смотрят в «Космический глаз» и по далёкому прошлому Млечного пути пытаются понять историю своего звёздного дома.