Галактики. Большой путеводитель по Вселенной - Джеймс Гич

одно место, где могут образовываться новые звезды. В видимом свете эта часть облака выглядит как темная полоса поперек звездного поля: здесь плотный газ и пыль блокируют свет фоновых звезд, а само облако не испускает видимого излучения. Но на этом изображении представлены и наблюдения с телескопа, который работает в субмиллиметровой части электромагнитного спектра. Холодная пыль (при температуре несколько десятков градусов выше абсолютного нуля) испускает тепловое излучение на дальнем инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах волн. За счет этого темное щупальце из газа и пыли ярко светится на более длинных волнах. Это составное оптическое и субмиллиметровое изображение показывает тепловое излучение молекулярного облака в оранжевом цвете, обнаружив плотные яркие узлы, где новые звезды готовы появиться на свет. Некоторые далекие галактики, в которых идет активное звездообразование, настолько запылены, что бо́льшая часть их излучения проявляется в дальнем инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах: они фактически недоступны для наблюдения в видимом свете, и для их обнаружения мы используем инфракрасные и субмиллиметровые наблюдения

Итак, звезды с большой массой живут очень недолго, при этом некоторые звезды с самой низкой массой могут жить триллионы лет, что намного больше возраста Вселенной, который, согласно текущим измерениям, составляет чуть менее 14 млрд лет. Пока Вселенная продолжает расширяться, а галактики развиваться, именно звезды с самой низкой массой продолжают стабильно жить, в то время как более массивные постепенно умирают. Звезды будут образовываться в галактиках до тех пор, пока у них будет ядерное топливо, которое может коллапсировать в плотные молекулярные облака, но однажды даже эти резервуары будут исчерпаны. И тогда останется огромная Вселенная, населенная редкими призраками галактик – тусклыми красными системами, содержащими постоянно стареющую популяцию древних звезд. Однажды, в далеком будущем, свет во Вселенной погаснет. Но, к счастью, сейчас и в ближайшие миллиарды лет она продолжит сиять.

Галактики содержат звезды разных размеров, масс и возрастов, и в процессе наблюдений мы можем различать их по цвету и светимости. Но почему в нашей Галактике столько типов звезд? Почему звезды не формируются одинаково? Для начала забудьте обо всей Галактике – давайте рассмотрим всего один звездообразующий регион. Звезды рождаются в больших газовых облаках, которые возникают в результате гравитационного притяжения: более слабый атомарный водород может конденсироваться, создавая облака молекулярного водорода, которые, в свою очередь, разрушаются под действием силы тяжести не в одну единственную точку, а во множество плотных областей, разделяясь на большое число ядер. Так происходит потому, что облако не однородно: одни области внутри него обладают большей плотностью, другие – меньшей. Это естественный результат образования облака и турбулентных движений внутри него.

Туманность Тарантул (30 Золотой Рыбы) – звездообразующая область, расположенная в спутнике Млечного Пути – Большом Магеллановом Облаке. Окружающая среда, подобная этой, называется областью HII из-за излучения ионизованного атомарного водорода

Крупный план туманности Тарантул. Эта область освещена скоплением голубых звезд, похожим на фейерверк. Эти недавно появившиеся на свет звезды очень массивны и горячи и испускают большое количество ультрафиолетового и оптического излучения, вакуумируя пузырь в туманности и вызывая свечение окружающего газа по мере его ионизации. Снимок показывает свет ионизированного кислорода и водорода

Самые плотные области в облаке стремятся разрушиться первыми. Сначала плотные сгустки образуют протозвездные ядра – плотные газовые шарики, в которых потенциально возможен запуск ядерного синтеза. Если плотность ядра достигает достаточного уровня, ядерные реакции могут запуститься, и тогда родится звезда. Разрушаясь, облако газа может образовать не одну звезду, а несколько в поколении, создав звездное скопление. Сформировавшись, звезды приходят в движение, так как получают импульс от коллапсирующих областей, в которых они возникли.

Это означает, что новые звезды начинают удаляться, покидая место своего рождения, словно птенцы гнездо. Как и у людей, рождающихся с разным весом, в массе коллапсирующих ядер и порожденных ими звезд есть определенный разброс. Функция этого распределения называется начальной функцией масс (НФМ) и описывает распределение масс звезд в элементе объема с точки зрения их начальной массы (той, с которой они сформировались). Кроме того, ее можно рассматривать как распределение вероятностей: если я выберу новую звезду случайным образом, где она будет на главной последовательности?

Смотря на определенные области в нашей Галактике, мы знаем, что при фиксации скопления массивных молодых звезд мы обнаружим активную звездообразующую область. Ту же уловку можно применить и в отношении далеких галактик, чтобы выявить те из них, где активно формируются звезды. Определение НФМ также имеет жизненно важное значение в нашей интерпретации галактик, потому что это позволяет нам оценить их общие звездные массы. Помните, мы не измеряем массу напрямую – только свет, как правило, намешанный из излучений всех звезд в галактике. НФМ позволяет нам преобразовать полную звездную светимость галактики в общую звездную массу. Аналогично вычисляется общий вес группы людей за счет их пересчета при условии, что у вас есть предварительная оценка типичного распределения веса. До сих пор неясно, является ли НФМ универсальной и неизменной с течением времени: точное происхождение локальной НФМ все еще обсуждается, будучи одним из самых значительных белых пятен в исследованиях эволюции галактик.

Газ: чертежи звездообразования

Выше мы исследовали гипотетическое газовое облако, которое гравитационно разрушается и производит новые звезды. Это была просто иллюстрация того, как они формируются. Но каково распределение звезд и газа в Млечном Пути в целом?

Снимок области активного звездообразования Единорог в галактике Млечный Путь сделан телескопом VISTA в инфракрасном режиме. На снимке изображена часть гигантского молекулярного облака, но здесь мы видим только те его фрагменты, где новые звезды, большинство из которых плотно сгруппированы вблизи центра этого изображения, освещают окружающий газ и пыль, которые отражают и рассеивают этот свет. Большое поле обзора и сверхчувствительные приемники VISTA идеально подходят для съемки подобных панорам, которые могут охватывать несколько градусов неба

Как мы знаем, Млечный Путь можно разделить на диск и центральный балдж – белок и желток, если хотите. Именно на галактическом диске расположено большинство плотных газовых резервуаров, ответственных за образование новых звезд, – так называемые гигантские молекулярные облака. Они охватывают около 100 пк и содержат достаточно топлива для создания – потенциально, конечно – миллионов новых звезд. А молекулярные они, потому что газ внутри них состоит в основном из самой простой молекулы – молекулярного водорода: всего два протона, связанных вместе электронами, образуют простую ковалентную связь. Прежде чем образоваться, молекулярные облака должны остыть от более слабого газа, где атомы водорода еще не связаны