Александр Волков - 100 великих загадок астрономии
Обращаясь вокруг галактического центра, шаровые скопления испытывают приливные воздействия со стороны галактики – подобно тому, как их испытывает Луна, кружащая возле Земли. Жертвами этого становятся, прежде всего, звезды, расположенные на периферии скопления. Они покидают его.
Шаровое звездное скопление Omega Centauri
Так, наблюдая с помощью Очень большого телескопа, сооруженного на севере Чили, за шаровым скоплением М 12, которое находится на расстоянии 16 тысяч световых лет от Солнечной системы, астрономы убедились, что там гораздо меньше легких звезд, чем ожидалось. По-видимому, почти все пребывавшие на периферии небольшие звезды, чья масса составляла не более трети массы Солнца, покинули свою звездную систему и вошли в состав Млечного Пути. С похожим явлением исследователи столкнулись, наблюдая за шаровыми скоплениями NGC 6218 и NGC 2298 возрастом около 12 миллиардов лет. Впрочем, по оценке астрономов, пройдет еще 30 миллиардов лет, прежде чем эти объекты окончательно исчезнут.
Дело, кстати, не ограничивается похищением отдельных звезд. Под действием приливных сил шаровые скопления могут просто разорваться, как явствует из расчетов, проделанных еще в 1960-е годы. Наблюдения последних лет подтвердили эту гипотезу. Остатки подобных скоплений астрономы не раз обнаруживали в Млечном Пути. Всего же, по их оценке, в одной только нашей Галактике распалось от 350 до тысячи с лишним шаровых скоплений, когда-то входивших в ее состав.
Может статься, что многие шаровые скопления являются… «ненастоящими». Это – остатки карликовых галактик, поглощенных более крупными звездными системами. Во время подобных катастроф эти галактики лишались всех своих звезд, находившихся на периферии, а из их центральных областей формировались шаровые звездные скопления. В пользу этой гипотезы говорит то, что некоторые скопления очень неоднородны. Их звезды – в отличие от звезд, составляющих подлинные шаровые скопления, – заметно разнятся и по своему возрасту, и по химическому составу.
Один из самых известных тому примеров – шаровое скопление Omega Centauri, наиболее яркое и массивное скопление Млечного Пути, расположенное в созвездии Центавра (Кентавра). Оно состоит из двух популяций звезд, чего в обычных шаровых скоплениях не наблюдается. Примерно четверть звезд здесь окрашены в голубые тона, остальные – в красные. Вопреки ожиданиям ученых, эти голубые звезды содержат больше тяжелых элементов, чем красные. Это тоже неожиданность, ведь обычно звезды, обогащенные тяжелыми элементами, окрашены именно в красные цвета.
Астроном Джанпаоло Пиотто из Падуанского университета, объясняя эти странные наблюдения, предположил, что голубые звезды в этом шаровом скоплении, образовавшемся всего через один-два миллиарда лет после Большого взрыва, содержат в полтора раза больше гелия, чем красные. Расчеты показали, что в таком случае они должны состоять на 39 % из гелия. Поразительная концентрация – особенно если вспомнить, что сразу после Большого взрыва наша Вселенная содержала лишь 24 % гелия. К слову, в Млечном Пути за 8 с лишним миллиардов лет, прошедших от начала формирования этой галактики до появления Солнца, количество гелия, содержащегося в недрах звезд, тоже возросло, но не так значительно: с 24 до 28 %.
Сейчас Млечный Путь продолжает пополняться новыми шаровыми скоплениями, ведь он поглощает карликовую галактику Сагитариус, расположенную в созвездии Стрельца. Четыре шаровых скопления, принадлежавших Сагитариусу, уже перешли в состав нашей Галактики.
Очевидно, вследствие космического «каннибализма» появился и особый тип шаровых скоплений – громадные звездные системы, протянувшиеся на несколько сотен световых лет. Их плотность в 100 раз меньше, чем плотность обычных шаровых скоплений. Подобные объекты обнаружили в 2005 году в туманности Андромеды. Они располагаются в сферическом гало, окружающем соседнюю галактику, на расстоянии около 200 тысяч световых лет от ее центра. В принципе, они занимают промежуточное положение между шаровым скоплением и карликовой шаровидной галактикой. Ученые пока не могут объяснить, как образовались эти объекты. Непонятно также, почему подобных нет в составе нашей Галактики. И, спрашивается, можно ли найти такие скопления в других галактиках?
…Астрономы привыкли считать шаровые скопления очень скучными объектами. Более всего они напоминали им гвардейские части, выстроенные на парад: вот они, «солдаты Вселенной», все, как на подбор, одного возраста и роста, все в одинаковых мундирах, все оцепенело застыли. Кажется, сколько ни всматривайся в них, ничего необычного не увидишь. Вот и в шаровых скоплениях, как на строевом плацу, ничего неожиданного, казалось бы, не обнаружить. Несколько сотен тысяч звезд одного возраста, одного химического состава, кружат, как заведенные, по небосводу, и вот уже миллиарды лет этот космический механизм не дает никаких сбоев. Все повторяется, повторяется. Однако наблюдения последних лет показывают, что эти расхожие представления ошибочны. Стандартную теорию возникновения шаровых скоплений, похоже, придется пересмотреть.Происхождение шаровых скоплений
Шаровые скопления долгое время считались реликтами, оставшимися от ранней эпохи Вселенной. Сценарий их появления был следующим. Когда под действием собственной силы тяжести гигантские облака первородного газа, заполнявшие космос, сжимались, то из отдельных уплотнений, образовавшихся вокруг будущих галактик, стали возникать шаровые звездные скопления. Их траектории еще и сегодня очерчивают контуры тех облаков газа.
Однако этот сценарий, как понятно теперь, верен отнюдь не полностью. И даже не наполовину. Компьютерные модели и результаты наблюдений, проводимых с помощью новейших телескопов, заставляют по-новому взглянуть на происхождение шаровых скоплений и их природу. Процессы, протекавшие во Вселенной в далеком прошлом, оказались значительно сложнее строгой схемы.
Еще недавно принято было считать, что все шаровые скопления, как счастливые семьи, похожи друг на друга. Теперь становится ясно, что эти объекты очень неоднородны. Они могут возникать по-разному. В одних случаях формируются сразу, целиком, в других – за счет слияния отдельных небольших звездных систем. Они заметно разнятся по своей массе, химическому составу, плотности и даже возрасту. Шаровые скопления нельзя называть лишь «наследием далекого прошлого Вселенной». Похоже, они образуются в галактиках по сей день.
Еще в 1975 году канадский астроном Сидней ван ден Берг обнаружил в Большом Магеллановом Облаке пару шаровых скоплений, которые заметно моложе, чем другие скопления в этой соседней галактике. Их возраст – около 3 миллиардов лет.
В 1990-е годы у астрономов сложилась уверенность в том, что есть два класса шаровых скоплений. Одни из них окрашены в голубой цвет, другие – в красный. Их окраска указывает на то, что они образовались в разное время и что механизм формирования их разнится.
По всей видимости, голубые шаровые скопления возникли очень давно, вскоре после Большого взрыва. Возраст древнейших звезд в них – от 12 до 13 миллиардов лет. Они формировались в локальных уплотнениях первородного газа, почти равномерно растекавшегося по Вселенной.
Уже в ту далекую эпоху она была заполнена не только газом, но и загадочным темным веществом, которое состоит из не известных науке элементарных частиц. По оценке космолога Джеймса Пиблса из Принстонского университета, вскоре после Большого взрыва в нашей Галактике образовались облака, содержавшие до 100 миллионов солнечных масс темного вещества и нескольких миллионов солнечных масс водорода и гелия. Но, к удивлению астрономов, в то время как в гало различных галактик, в том числе и карликовых галактик, содержится большое количество темного вещества, в шаровых скоплениях его по неизвестной причине не обнаруживают.
Вообще говоря, процессы образования первых галактик и их эволюция кажутся теперь гораздо более сложными, нежели пару десятилетий назад. Зарождение галактик, их столкновения и слияния сыграли важную роль и в формировании шаровых скоплений.
Еще в 1980-е годы американский астроном Франсуа Швейцер предположил, что вихревые процессы, возникавшие при столкновении первых галактик, сопровождались уплотнением газовых облаков, и это приводило к появлению шаровых скоплений. При столкновении спиральных галактик, уже содержавших шаровые скопления, возникала новая их генерация. Этот «галактический каннибализм» способствовал рождению молодых скоплений, окрашенных в красные цвета.
Того же мнения придерживается и Кит Ашман из университета Миссури: «При зарождении спиральных галактик образуются шаровые скопления. А когда эти галактики сталкиваются, возникают новые шаровые скопления». Кит Ашман и его коллега Стивен Зепф из Мичиганского университета выдвинули подобную гипотезу и предсказали, что существуют две генерации шаровых скоплений, еще в 1992 году – до того, как астрономам удалось обнаружить эти молодые скопления.
