Что там в глубинах вселенной. Они были первыми: самые старые звезды

С помощью приемника MUSE, установленного на Очень Большом Телескопе ESO VLT, астрономы осуществили лучшее на сегодняшний день трехмерное глубокое зондирование дальней Вселенной. Наблюдения площадки Hubble Deep Field South, продолжавшиеся в общей сложности 27 часов, позволили измерить расстояния, собственные движения и другие параметры у значительно большего числа галактик, чем было известно прежде в этом маленьком участке неба. Ученым удалось заглянуть за пределы расстояния, доступного для телескопа Хаббла, и выявить прежде не наблюдавшиеся объекты.

Путем фотографирования определенных участков неба с очень длинными экспозициями астрономы получили множество так называемых глубоких полей , изучая которые, удалось многое узнать о ранней Вселенной. Самой знаменитой из этих площадок стало поле Hubble Deep Field, изображение которого было получено с Космическим телескопом Хаббла NASA/ESA в течение нескольких дней в конце 1995 года. Этот великолепный снимок резко изменил наше представление о том, какой была Вселенная на раннем этапе своего развития. Спустя два года было получено изображение аналогичной площадки на южном небе - Hubble Deep Field South .

Эти снимки, однако, не могли ответить на все вопросы: чтобы получить подробную информацию о галактиках в глубоких полях астрономам необходимо тщательно изучить каждую из них при помощи разнообразных инструментов, а это трудная и требующая больших затрат времени задача. И вот теперь новому приемнику MUSE впервые удалось одновременно получить изображение глубокого поля и детально исследовать находящиеся в нем объекты, и к тому же выполнить обе эти работы гораздо быстрее, чем это было возможно прежде.

Одной из первых наблюдательных программ с использованием приемника MUSE после того, как он успешно прошел тестирование на телескопе VLT в 2014 г., были именно длительные и трудоемкие исследования площадки Hubble Deep Field South (HDF-S). Результаты этой работы превзошли все ожидания.

“Уже через несколько часов наблюдений мы быстро просмотрели полученные данные и обнаружили большое количество галактик. Это было очень обнадеживающе. Когда мы вернулись в Европу, мы начали исследовать эти данные более детально. Это было похоже на глубоководную рыбалку . Каждая новая находка вызывала всплеск восторга и споров ”, --говорит Ролан Бекон (Roland Bacon) из Лионского центра астрофизических исследований (Франция , CNRS), научный руководитель проекта MUSE и глава комиссии по приемке инструмента в эксплуатацию.

Элементом изображения HDF-S, получаемого приемником MUSE, является не только пиксель полевого изображения, но еще и спектр, то есть информацию об интенсивности излучения в этой точке в различных цветовых полосах. В целом в поле приемника оказывается около 90 000 спектров . Используя эту информацию, можно определить расстояние, химический состав и внутренние движения сотен удаленных галактик, а также зарегистрировать небольшое количество очень слабых звезд, принадлежащих Млечному Пути.

Несмотря на то, что общее время экспозиции с MUSE было гораздо меньше, чем у снимков, полученных с телескопом Хаббла, полученные данные позволили выявить на HDF-S более двадцати очень слабых объектов, которых Космический телескоп не зарегистрировал .

“Самый волнующий момент был, когда мы обнаружили на нашем снимке очень слабые галактики, которых на самых глубоких изображениях, полученных с телескопом Хаббла, вообще не было. После стольких лет напряженной работы по созданию этого приемника я увидел, как наши мечты становятся явью. Это был незабываемый момент ”, -- признается Ролан Бекон.

Тщательно исследовав все спектры, полученные при наблюдениях площадки HDF-S с инструментом MUSE, группа измерила расстояния до 189 галактик. Среди них есть несколько относительно близких, но некоторые из них видны такими, какими они были, когда Вселенной было менее одного миллиарда лет. В целом, благодаря MUSE количество объектов, до которых удалось измерить расстояния, выросло более, чем в десять раз.

Для близких галактик MUSE может даже измерить распределение физических параметров по различным частям галактики. Так можно, например, детально исследовать особенности вращения галактики. Эти измерения помогают понять, как галактики эволюционируют в космической шкале времени.

“Теперь, когда нам удалось продемонстрировать уникальные качества приемника MUSE для изучения дальней Вселенной, мы собираемся заняться и другими глубокими полями, например, Hubble Ultra Deep field . Мы сможем исследовать тысячи галактик и открыть новые крайне слабые и исключительно удаленные объекты. Эти маленькие новорожденные галактики, которые мы видим, проникая в прошлое более, чем на 10 миллиардов лет, постепенно вырастут и станут такими, как наша галактика Млечного Пути, какой мы видим ее сегодня ”, -- заключает Ролан Бекон.

Примечания

Каждый такой спектр покрывает интервал длин волн излучения от 375 до 930 нанометров, т.е. от голубых лучей до ближней инфракрасной области.

MUSE особенно чувствителен к объектам, которые излучают большую часть энергии на нескольких отдельных длинах волн. Именно такие спектры обычно присущи галактикам ранней Вселенной, так как они содержат водород, светящийся в определенных эмиссионных линиях под воздействием ультрафиолетового излучения молодых горячих звезд.

Узнать больше

Результаты исследования представлены в статье “The MUSE 3D view of the Hubble Deep Field South”, R. Bacon и др., которая выходит в журнале Astronomy & Astrophysics 26 февраля 2015 г.

Состав группы исследователей: R. Bacon (Observatoire de Lyon, CNRS, Université Lyon, Saint Genis Laval, France ), J. Brinchmann (Leiden Observatory, Leiden University, Leiden, The Netherlands ), J. Richard (Lyon), T. Contini (Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie, CNRS, Toulouse, France; Université de Toulouse, France ), A. Drake (Lyon), M. Franx (Leiden), S. Tacchella (ETH Zurich, Institute of Astronomy, Zurich, Switzerland ), J. Vernet (ESO, Garching, Germany), L. Wisotzki (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Potsdam, Germany ), J. Blaizot (Lyon), N. Bouché (IRAP), R. Bouwens (Leiden), S. Cantalupo (ETH), C.M. Carollo (ETH), D. Carton (Leiden), J. Caruana (AIP), B. Clément (Lyon), S. Dreizler (Institut für Astrophysik, Universität Göttingen, Göttingen, Germany ), B. Epinat (IRAP; Aix Marseille Université, CNRS, Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Marseille, France), B. Guiderdoni (Lyon), C. Herenz (AIP), T.-O. Husser (AIG), S. Kamann (AIG), J. Kerutt (AIP), W. Kollatschny (AIG), D. Krajnovic (AIP), S. Lilly (ETH), T. Martinsson (Leiden), L. Michel-Dansac (Lyon), V. Patricio (Lyon), J. Schaye (Leiden), M. Shirazi (ETH), K. Soto (ETH), G. Soucail (IRAP), M. Steinmetz (AIP), T. Urrutia (AIP), P. Weilbacher (AIP) и T. de Zeeuw (ESO, Garching, Germany; Leiden).

Ссылки

Эмил Иванов - оперный певец и астроном-любитель в одном лице. С ранних лет он интересовался пением и астрономией. Первый телескоп Эмил построил в 9 лет: в дело пошли очковые стекла и объектив от театрального бинокля. А свои первые снимки звездного неба он получил с помощью 35-мм фотоаппарата «Смена»

Закончив школу, Эмил Иванов начал изучать в Государственном университете Софии астрономию, но через два года перевелся в Музыкальную академию, которую окончил спустя пять лет. А дальше началась его карьера оперного певца, в ходе которой он выступал на самых престижных площадках мира. Профессиональная занятость до самого последнего времени не позволяла ему обратиться к любимому хобби, однако с 2009 года, когда Эмил стал обладателем 12-дюймового астрографа, он получил возможность заниматься астрофотографией.

В результате за 3 года у Эмила скопилась внушительная коллекция астрономических снимков с изображениями планет и солнца, комет, Луны и самых разнообразных объектов глубокого космоса.

(Всего 20 фото)

1. Весной небо северного полушария бедно на звезды, так как мы смотрим в сторону от диска Галактики, где сосредоточены большинство звезд Млечного Пути, туманности и звездные скопления. Зато перед нами открываются глубины космоса - скопления галактик в созвездиях Волос Вероники и Девы. Одна из множества звездных систем, которые можно увидеть на небе весной, - великолепная спираль М94, галактика в созвездии Гончих Псов, расположенная на расстоянии 16 миллионов световых лет от нас. Вместе с еще примерно 20 галактиками М94 входит в группу галактик, которая является частью сверхскопления в Деве. Частью этого же сверхскопления является и наша галактика, Млечный Путь

2. У туманности IC 405 существует еще несколько номеров в разных каталогах (Sh 2-229, Колдуэлл 31), но любителям астрономии она известна под названием Туманность пламенеющей звезды. Это обширное скопление газа и пыли находится в созвездии Возничего и окружает очень горячую звезду AE Возничего (в центре снимка). Мощное излучение звезды ионизирует газ туманности, заставляя его светиться красным, а также отражается от чрезвычайно мелких пылинок поблизости. В результате мы видим вблизи звезды и голубые тона. По галактическим меркам АЕ Возничего сущий младенец - возраст ее составляет всего 2-3 миллиона лет. Однако за это время звезда проделала большой путь по небу: исследования показывают, что родилась АЕ Возничего в Туманности Ориона. Что придало звезде столь большую скорость, что она навсегда покинула свою колыбель, сегодня в точности не известно

3. Шаровое скопление М3 в созвездии Гончих Псов. Это довольно яркое шаровое скопление лучше всего видно на небе весной. Находится оно на полпути между ярким Арктуром и α Гончих Псов. Как и подавляющее большинство шаровых скоплений Галактики, М3 старое скопление - его возраст составляет, вероятно, больше 11 миллиардов лет. Очень четкие снимки вроде этого показывают множество красных гигантов - звезд, находящихся на поздних стадиях эволюции

4. Не секрет, что плоскость нашей Галактики сильно «запылена». Межзвездная пыль и молекулярные облака поглощают свет далеких звезд, скрывая от нас центр Млечного Пути и много других интересных объектов. Невооруженному глазу холодные облака предстают в лучшем случае в виде темных провалов на фоне бледного свечения Млечного Пути, но на фотографиях, подобных этой, можно в деталях рассмотреть их структуру. В центре снимка - яркая звезда β Цефея. В правом нижнем углу находится известная отражательная туманность Ирис (NGC 7023), чуть левее ее - туманность Призрак. А у левого края снимка находится вытянутая туманность Барнард 175

5. Красивая спиральная галактика М88 из созвездия Волосы Вероники. Эта звездная система находится на расстоянии 47 миллионов световых лет от Земли. В ядре М88 идут активные процессы, связанные, вероятно, со взаимодействием вещества галактики и сверхмассивной черной дыры. Астрономы установили, что масса центральной черной дыры составляет около 80 миллионов масс Солнца

6. М21, рассеянное звездное скопление в созвездии Стрельца. Это скопление находится довольно далеко от нас, на расстоянии свыше 4 тысяч световых лет, поэтому невооруженным глазом оно не видно. Однако даже небольшой бинокль без труда разрешает его на звезды. Скопление М21 очень молодо - его возраст оценивается в 4,6 миллиона лет.

7. Эмиссионная туманность NGC 2174. Эта обширная и довольно яркая туманность находится в созвездии Ориона, там, где на древних картах изображалась поднятая вверх дубинка охотника. Левый край туманности имеет сложную структуру; свечение водорода перемежается с темными прожилками пыли. На снимках телескопа «Хаббл» в этом месте видны глобулы и столбы пыли, подобные знаменитым Столбам Творения в туманности М16

8. детальное изображение участка созвездия Цефея с темными туманностями LBN 468, LDN 1148, LDN 1155, LDN 1158, HH 215. Первые четыре туманности вошли в каталоги ярких и темных туманностей Линдса (Lynds Bright Nebula, Lynds Dark Nebula), последний, похожий на головастик, объект справа внизу - объект Хербига-Аро 215

9. Группа галактик в Драконе. Прекрасное трио галактик состоит из двух спиральных (NGC 5981 и NGC 5985 - слева и справа) галактик и эллиптической NGC 5982 (в центре). Они действительно физически связаны друг с другом и располагаются примерно на одном и том же расстоянии от нас - около 100 миллионов световых лет. Из-за весьма солидного расстояния интегральный блеск каждой из этих галактик не превышает 11-й зв. величины. Однако на этом замечательном снимке проявились и гораздо более далекие галактики

10. Среди россыпей звезд в созвездии Стрелы находится маленькая эмиссионная туманность Sh2-82 (объект номер 82 из каталога Шарплесса). Туманность окружена голубоватой отражательной туманностью; обе они находятся позади мощного скопления пыли

11. М19 - далекое шаровое скопление в созвезии Змееносца. Возраст скопления составляет почти 12 миллиардов лет, оно состоит более чем из миллиона звезд, многие из которых уже сошли с главной последовательности и проходят стадию красных гигантов. Отчетливо видно, что форма М19 вытянута, однако на инфракрасных снимках скопление предстает почти идеальным шаром. Очевидно, и здесь не обошлось без межзвездной пыли, которая скрывает часть М19 от наших глаз.

12. Галактика Игла (она же NGC 4565) в созвездии Волосы Вероники. Эта великолепная спиральная галактика расположена к нам ребром, поэтому мы не наблюдаем спиральных рукавов, зато очень хорошо видим центральное утолщение - балдж - и прослойку межзвездной пыли. Если бы мы могли взглянуть на нашу собственную звездную систему, Млечный Путь, со стороны, то она выглядила бы, вероятно, очень похоже на галактику Игла. Кроме NGC 4565 на снимок попало еще две галактики - NGC 4562 (в левом верхнем углу) и IC 3571 (маленькое голубоватое пятнышко непосредственно под галактикой Игла).

13. Галактики М81 и М82 в созвездии Большой Медведицы. Замечательная пара галактик давно является излюбленным объектом для многих любителей астрономии - она прекрасно видна даже в 50-мм бинокли. М81 известна как галактика Боде, а М82 - как галактика Сигара или Взрывающаяся галактика. Изучая спектр галактики М82 (справа) астрономы еще 3-4 десятилетия назад полагали, будто в центре ее произошел грандиозный взрыв, однако современные исследования с помощью крупнейших телескопов предлагают другое объяснение внешнему виду галактики. Согласно ему в М82 идут процессы бурного звездообразования, и звездный ветер от тысяч молодых горячих звезд выдувает газ из галактики. Вспышка звездообразования, вероятно, произошла в результате гравитационного взаимодействия М81 и М82. На снимок также попала карликовая неправильная галактика Хольмберг IX, спутник галактики М81, которая видна чуть выше ее как клочковатое облачко

14. Темные провалы на небе давно были известны астрономам, но первым, кто взялся за их изучение, стал американский астроном Эдуард Барнард. В 1919 году он выпустил каталог темных туманностей, в который включил 182 подобных объекта. Одна из таких туманностей, Барнард 174, представлена на этом снимке. Астроном описал ее как узкую туманность неправильной формы, вытянутой с северо-востока на юго-запад и диаметром 19 угловых минут

15. Туманность Пузырь (NGC 7635) и рассеянное скопление М52 в созвездии Кассиопеи. Странная туманность сферической формы на первый взгляд кажется планетарной, однако на самом деле это не так. Пузырь выдувает горячая звезда, находящаяся внутри него, справа по центру. Мощный звездный ветер буквально расталкивает межзвездное вещество в разные стороны. Размеры пузыря уже достигли 10 световых лет

16. В созвездии Большой Медведицы. На снимок попали сразу два объекта каталога Мессье, которые имеют, правда, совершенно различную природу. Слева вверху находится планетарная туманность Сова (М97), в правом нижнем углу - спиральная галактика М108. Туманность Сова - это расширяющаяся оболочка умершей звезды. Ядро звезды - горячий белый карлик в центре туманности - нагревает оболочку своим ультрафиолетовым излучением и заставляет ее переизлучать фотоны в видимом диапазоне спектра. Расстояние до М97 - 2600 св. лет. Галактика М108 находится в 17,5 тысяч раз дальше, на расстоянии около 45 миллионов световых лет. Ее масса и размеры сопоставимы с массой и размерами Млечного Пути

17. Рассеянное скопление М7 (скопление Птолемея). Это одно из ярчайших рассеянных скоплений на нашем небе. Находится оно в созвездии Скорпиона, в самой гуще Млечного Пути, на расстоянии около 1000 световых лет от нас. Скопление состоит из 80 звезд-гигантов, чья общая масса составляет более 700 масс Солнца. Несмотря на то что скопление довольно молодо (возраст его составляет 200 миллионов лет), наиболее массивные его звезды уже значительно проэволюционировали

18. Туманность Калифорния (NGC 1499) в созвездии Персея, снятая в нескольких узких полосах спектра. Эта огромная туманность вытянулась на небе на 2,5°, что составляет почти 5 дисков Луны. Несмотря на внушительные размеры, наблюдать туманность визуально невероятно трудно из-за ее чрезвычайно низкой поверхностной яркости. Тем не менее на фотографиях с большой экспозицией ее очертания проявляются достаточно подробно, напоминая внешне очертания штата Калифорния. Расстояние до туманности - около 1000 св. лет

19. NGC 1333 - отражательная туманность в созвездии Персея. На этом изумительном по четкости и глубине снимке туманность представляется густым хитросплетением газовых и пылевых облаков, почти не излучающих свет. Отраженное свечение имеет голубоватый цвет, кстати, по той же причине, по которой является голубой и земная атмосфера. Туманность NGC 1333 - часть молекулярного облака Персея, которое располагается от нас на расстоянии около 1000 световых лет. Внутри облака находится множество очень молодых звезд возрастом не более миллиона лет - фактически, ровесников человечества

20. Галактика Подсолнух (М63) - красивая спиральная звездная система в созвездии Гончих Псов. Галактика была открыта в 1779 году французским астрономом Пьером Мешеном, а в середине XIX века лорд Росс установил ее спиральную структуру. Размеры М63 составляют около 100000 световых лет, что сопоставимо с размерами Млечного Пути. Ее структура чрезвычайно любопытна - на снимке мы видим маленькое плотное ядро с множеством коротких, сильно закрученных спиральных рукавов. Но кроме этого мы видим также продолжения спиральных ветвей в виде слабых петель, продолжающихся далеко за пределы диска М63. Вероятно, эти структуры, состоящие также из звезд и газа, образовались в результате гравитационного взаимодействия с галактиками-соседями

Глава1.

Введение в астрономию

Внутри доступной наблюдениям части Вселенной содержится несколько десятков миллиардов крупных галактик различной формы.

Газ и пыль собраны в газопылевые облака, которые наблюдаются в виде диффузных светящихся туманностей и отражательных туманностей возле звёзд.

Наблюдаются рассеянные и шаровые звёздные скопления.

Средняя плотность вещества во Вселенной в виде звёзд, газа, пыли и галактик составляет всего около1,2 × 10 –26 кг/м 3 .

Самыми плотными объектами являются нейтронные звёзды.

Наблюдаются остатки взрывов сверхновых звёзд, в которых вещество разлетается со скоростью в тысячи километров в секунду, в результате чего образуются релятивистские частицы.

В центре Млечного Пути находится сверхмассивная чёрная дыра.

Для изучения самых далёких небесных тел астрономы строят гигантские телескопы, чтобы различить как можно меньшие детали небесных тел.

Чтобы избавиться от влияния атмосферы и изучать излучение небесных тел в рентгеновских, γ- и инфракрасных лучах, запускают космические телескопы.

Структура и масштабы Вселенной

Наука о небесных телах получила название астрономия (от древнегреческих слов «астрон» - звезда и «номос» - закон). Она изучает их видимые и действительные движения и законы, определяющие эти движения; формы, размеры, массы и рельеф поверхности; природу и физическое состояние небесных тел; взаимодействие между ними, их эволюцию - вероятную прошлую историю и будущее развитие. Объект исследований астрономов - вся Вселенная в целом.

Внутри доступной наблюдениям части Вселенной имеются несколько десятков миллиардов галактик. Каждая галактика содержит десятки и сотни миллиардов звёзд. Полное число звёзд в наблюдаемой части Вселенной составляет порядка 1022.

При фотографировании неба в самые мощные телескопы удаётся зафиксировать до 10 миллиардов звёзд. Практически все они принадлежат нашей Галактике, которой ещё в древности дали название Млечный Путь .

Астрономы измерили расстояния до многих звёзд. Расстояние до ближайшей к нам звезды Проксимы Центавра составляет 4,2 св. г. Значение «несколько световых лет» характеризует среднее расстояние между звёздами в Млечном Пути.

Наряду со звёздами и планетами, во Вселенной имеются газ и пыль. Масса газа и пыли в галактиках почти в сто раз меньше, чем масса, заключённая в звёздах

Самые разреженные области Вселенной - это пространство между галактиками, а самые плотные - ядра звёзд. Если средняя плотность Солнца составляет около 1400 кг/м3, почти как плотность воды, то в центре Солнца уже около 150 000 кг/м3.

Астрономам удалось измерить и рассчитать температуры различных небесных тел и областей космоса. Так, самыми холодными оказались плотные облака газа и пыли, удалённые на большие расстояния от звёзд, - в них температура составляет всего несколько Кельвинов. Именно в этих областях образуются новые звёзды.

На поверхности Солнца температура равна примерно 6000 К, а в его центре - около 15 000 000 К. В некоторых звёздах температура в центре достигает миллиардов Кельвинов. Благодаря высоким температурам в них протекают термоядерные реакции и образуются все, в том числе тяжёлые химические элементы.

Последние наблюдения показали, что Вселенная расширяется с ускорением. По наблюдениям ускоренного удаления галактик не так давно была открыта новая сила Всемирного отталкивания . Природа этой силы пока не ясна. Кроме этого, было установлено, что основную часть Вселенной занимают тёмная материя и тёмная энергия , а обычное вещество составляет всего несколько процентов.

Далёкие глубины Вселенной

Современная астрономия нацелена на изучение самых далёких областей Вселенной и детальной структуры небесных тел. В последние десятилетия были построены несколько обсерваторий с гигантскими телескопами.

Следует отметить южную международную астрономическую обсерваторию в Чили на высоте около 5000 метров. Очень Большой Телескоп, состоящий из четырёх телескопов с диаметрами 8,2 м каждый. С помощью компьютерных технологий они могут работать вместе как гигантский интерферометр, с угловым разрешением в несколько миллисекунд дуги.

Хороший астрономический климат в обсерватории и чувствительные инфракрасные приёмники света, позволил проникнуть в центр Млечного Пути через облака газа и пыли, которые непрозрачны для видимого света, изучить движение отдельных звёзд в центре и обнаружить сверхмассивную черную дыру в нём.

Чтобы исключить влияние атмосферы на результаты наблюдений, астрономы запускают телескопы за пределы земной атмосферы.

Используя длительные экспозиции, впервые были получены изображения протогалактик, первых сгустков материи, которые сформировались менее чем через миллиард лет после Большого взрыва.

В настоящее время в космическом пространстве работает российская космическая обсерватория «Радиоастрон». Телескоп двигается по очень вытянутой орбите с апогеем до 360 000 км. Радиоастрон позволяет получить информацию о структуре галактических и внегалактических радиоисточников на угловых масштабах до 8 микросекунд дуги (8 × 106″).

Сейчас в космическом пространстве вокруг Земли вращается гамма телескоп имени Ферми. Так как гамма излучение образуется при высокоэнергичных процессах, рождения и аннигиляции частиц и античастиц, при ядерных реакциях, то телескоп позволяет исследовать эти процессы в небесных телах. Многие астрономы склонны думать, что в гамма излучении себя проявляют необычные свойства тёмной материи.

Большое развитие получила нейтринная астрономия. Её методами удалось заглянуть внутрь Солнца и в ядра взрывающихся сверхновых звёзд. Совершенно новое направление представляет гравитационно-волновая астрономия. Её первые успехи связывают с прямым наблюдением гравитационного излучения, которое, по-видимому, образовалось при слиянии двух чёрных дыр.

Подведём итоги

ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ:

Объект с каким минимальным линейным размером мы сможем различить в галактике Туманность Андромеды, расстояние до которой 2,5 млн св. лет, с помощью «РадиоАстрона»?

Скорость волокон в Крабовидной туманности составляет 1500 км/с. Расстояние до неё 6500 св. лет. Через сколько лет мы сможем заметить это перемещение в телескоп с диаметром 86 м с пространственным разрешением 0,004′′?

Чем отличаются исследования в области астрономии от исследований в области физики и биологии?

Справочник

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2018-01-31

Вселенная

В безлунные ночи на небе хорошо видна туманная полоса Млечного Пути. Но это не скопление туманных масс, а множество звезд – наша звездная система Галактика. В Галактике по современным оценкам около 200 миллиардов звезд. Чтобы пересечь её из конца в конец световой луч при скорости 300 тысяч километров в секунду должен затратить около 100 тысяч лет1.

Однако, несмотря на столь грандиозные размеры, наша Галактика лишь один из множества подобных звездных островов Вселенной. У неё есть спутники. Самые крупные из них – Большое и Малое Магеллановы Облака. Вместе с нашей Галактикой они обращаются вокруг общего центра масс. Наша Галактика, Магеллановы Облака и еще несколько звездных систем, в том числе знаменитая туманность Андромеды, образуют так называемую Местную Группу Галактик.

Современным телескопам и радиотелескопам, а также другим средствам астрономических исследований доступна колоссальная область пространства. Её радиус 10-12 миллиардов световых лет. В этой области расположены миллиарды галактик. Это – Метагалактика.

^ В расширяющейся метагалактике

Одной из самых ошеломляющих астрономических теорий, появившейся на свет в текущем столетии, бесспорно, можно считать теорию «расширяющейся Вселенной» или, точнее говоря, расширяющейся Метагалактики.

Главная идея этой теории состоит в том, что Метагалактика возникла около 15-20 миллиардов2 лет назад в результате грандиозного космического взрыва компактного сгустка сверхплотной материи.

^ Несколько слов о том, как родилась эта теория

Одним из самых эффективных методов изучения Вселенной является построение различных теоретических моделей, т. е. упрощенных теоретических схем мироздания. Длительное время в космологии изучались так называемые однородные изотропные модели. Что это значит?

Вообразим, что мы разбили Вселенную на множество «элементарных» областей и что каждая из них содержит большое количество галактик. Тогда однородность и изотропия означают, что свойства и поведение Вселенной в каждую эпоху одинаковы во всех достаточно больших областях и по всем направлениям.

Первую модель однородной изотропной Вселенной предложил А. Эйнштейн. Она описывала так называемую стационарную Вселенную, т. е. такую Вселенную, которая с течением времени не меняется в общих чертах, но в которой вообще нет каких-либо движений достаточно крупного масштаба.

Однако в 1922 г. талантливый ленинградский ученый А. А. Фридман показал, что уравнения Эйнштейна допускают также множество нестационарных, а именно расширяющихся и сжимающихся, однородных изотропных моделей. Позднее выяснилось, что, и статическая модель Эйнштейна неизбежно переходит в нестационарную. Но это означало, что однородная изотропная Вселенная обязательно должна либо расширяться, либо сжиматься.

Еще до этого американский астроном Слайфер обнаружил красное смещение спектральных линий в спектрах галактик. Подобное явление, известное в физике под названием эффекта Доплера, наблюдается в тех случаях, когда расстояние между источником света и приемником увеличивается.

^ Вселенная в гамма-лучах

Как известно, на протяжении весьма длительного времени астрономия была чисто «оптической»1 наукой. Человек изучал на небе то, что он видел – сперва невооружённым глазом, а затем с помощью телескопов. С развитием радиотехники родилась радиоастрономия, значительно расширившая наши знания о Вселенной. Наконец, в последние годы в результате появления космических средств исследования возникла возможность изучения и других электромагнитных вестников Вселенной – инфракрасных, ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-излучений. Астрономия превратилась во всеволновую науку.

Одним из новых методов исследования космических объектов является рентгеновская астрономия. Несмотря на то, что этот метод сравнительно молод, в настоящее время Вселенную уже невозможно представить себе без тех данных, которые получены благодаря наблюдениям в рентгеновском диапазоне.

Пожалуй, ещё более многообещающим источником космической информации являются гамма-излучения. Дело в том, что энергия гамма-квантов может в сотни тысяч и миллионы раз превосходить энергию фотонов видимого света. Для таких гамма-квантов Вселенная фактически прозрачна. Они распространяются практически прямолинейно, приходят к нам от весьма удалённых объектов и могут сообщить чрезвычайно ценные сведения о многих физических процессах, протекающих в космосе.

Особенно важную информацию гамма-кванты способны принести о необычайных, экстремальных состояниях материи во Вселенной, а именно такие состояния интересуют современных астрофизиков в первую очередь. Так, например, гамма-излучение возникает при взаимодействии вещества и антивещества, а также там, где происходит рождение космических лучей – потоков частиц высоких энергий.

Главная трудность гамма-наблюдений Вселенной заключается в том, что хотя энергия космических гамма-квантов и очень велика, но число этих квантов в околоземном пространстве ничтожно мало. Современные гамма-телескопы даже от самых ярких гамма-источников регистрируют примерно один квант за несколько минут.

Значительные трудности возникают и вследствие того, что первичное космическое излучение приходится изучать на фоне многочисленных помех. Под действием заряжённых частиц космических лучей, приходящих на Землю, – протонов и электронов, начинают ярко «светиться» в гамма-диапазоне и земная атмосфера, и конструкции космического аппарата, на борту которого установлена регистрирующая аппаратура.

Как же выглядит Вселенная в гамма-лучах? Представьте себе на минуту, что ваши глаза чувствительны не к видимому свету, а к гамма-квантам. Какая картина предстала перед нами? Взглянув на небо, мы не увидели бы ни Солнца, ни привычных созвездий, а Млечный Путь выглядел бы узкой светящейся полосой. Кстати, подобное распределение галактического гамма-излучения подтвердило предположение, высказанное в своё время известным советским физиком академиком В. Л. Гинзбургом о том, что космические лучи имеют в основном галактическое, а не внегалактическое происхождение.

В настоящее время с помощью гамма-телескопов, установленных на космических аппаратах, зарегистрировано несколько десятков источников космического гамма-излучения. Пока ещё нельзя точно сказать, что они собой представляют, – звёзды ли это или другие компактные объекты, или, может быть, протяжённые образования. Есть основания предполагать, что гамма-излучение возникает при нестационарных, взрывных явлениях. К числу таких явлений относятся, например, вспышки сверхновых звёзд. Однако при обследовании 88 известных остатков сверхновых было обнаружено только два источника гамма-излучения.

^ Судьба одной гипотезы

У планеты Марс есть два маленьких спутника – Фобос и Деймос. Деймос обращается по орбите, удаленной от планеты примерно на 23 тыс. км, а Фобос движется на расстоянии всего около 9 тыс. км от Марса. Вспомним, что Луна удалена от нас на 385 тыс. км, т.е. находится в 40 с лишним раз дальше от Земли, чем Фобос от Марса.

Вся история изучения Фобоса и Деймоса полна удивительных событий и увлекательных загадок. Судите сами: первое напоминание о наличии у Марса двух небольших спутников появилось не в научных трудах, а на страницах знаменитых «Путешествий Гулливера», написанных Джонатаном Свифтом в начале 18 столетия.

По ходу событий Гулливер оказывается на летучем острове Лапуте. И местные астрономы рассказывают ему, что им удалось открыть два маленьких спутника, обращающихся вокруг Марса.

В действительности же марсианские луны были открыты А.Холлом лишь спустя полтора столетия после выхода романа в свет, во время великого противостояния Марса 1877 г. И открыты при исключительно благоприятных атмосферных условиях после упорных многодневных наблюдений, на пределе возможностей инструмента и человеческих глаз.

Сейчас можно только гадать, что побудило Свифта предсказать существование двух спутников Марса. Во всяком случае, не телескопические наблюдения. Скорее всего, Свифт предполагал, что число спутников у планет должно возрастать по мере удаления от Солнца. В то время было известно, что у Венеры спутников нет, вокруг Земли обращается один спутник – Луна, а вокруг Юпитера – четыре, они были открыты Галилеем в 1610 г. Получалось «очевидная» геометрическая прогрессия, в которую на свободное место, соответствующее Марсу, казалось, сама собой просилась двойка.

Впрочем, Свифт предсказал не только существование Фобоса и Деймоса, но и то, что радиус орбиты ближайшего спутника Марса равен трем поперечником планеты, а внешнего – пяти. Три поперечника – это около20 тысяч км. Примерно на таком расстоянии расположена орбита Деймоса. Правда, не внутреннего спутника, как утверждал Свифт, а внешнего – но все равно совпадение впечатляет. Разумеется, именно совпадение

В очередной раз очередной раз внимание к марсианским лунам было привлечено во второй половине текущего столетия. Сравнивая результаты наблюдений, проведенных в разные годы, астрономы пришли к выводу, что ближайший спутник Марса Фобос испытывает торможение, благодаря которому постепенно приближается к поверхности планеты. Явление выглядело загадочно. Во всяком случае, никакими эффектами небесной механики наблюдаемое торможение объяснить не удалось.

^ Черные дыры во вселенной

В последние годы большую популярность в астрофизике приобрела гипотеза так называемых черных дыр.

Двадцатый век принес с собой целый ряд удивительных открытий в физике и астрономии. Идет своеобразная цепная реакция: обнаруживаются диковинные явления, а их дальнейшее изучение и осмысление приводит к открытию явлений, еще более поразительных. Таков закономерный путь развития естествознания.

Один из самых диковинных, правда, пока еще «теоретических» космических объектов, который в последние годы привлекает особое внимание физиков и астрофизиков, – черные дыры. Одно название чего стоит: дыры во Вселенной да еще черные!

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, силы тяготения непосредственно связаны со свойствами пространства. Любое тело не просто существует в пространстве само по себе, но определяет его геометрию. Однажды какой-то предприимчивый репортер обратился к Эйнштейну с просьбой изложить суть его теории в одной фразе и так, чтобы это было понятно широкой публике. «Раньше полагали, – ответил на это Эйнштейн, – что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранилось бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время».

Любые массы искривляют окружающее пространство. В повседневной жизни мы этой искривленности практически не ощущаем, поскольку нам обычно приходится иметь дело со сравнительно небольшими массами. Однако в очень сильных полях тяготения этот эффект может приобретать существенное значение.

За последние годы во Вселенной обнаружен целый ряд явлений, которые свидетельствуют о возможности концентрации огромных масс в сравнительно небольших областях пространства.

Если некоторая масса вещества окажется в малом объеме, критическом для данной массы, то под действием собственного тяготения это вещество начинает сжиматься. Наступает своеобразная гравитационная катастрофа – гравитационный коллапс.

1 Эти данные получены

2 Это основная идея

1 Это известно далеко не всем

Заглядывая в далекие глубины молодой вселенной, астрономы пытаются понять, как зажигались первые звезды.

Рождение первой звезды

Еще лет двадцать назад была известна лишь горсточка галактик старше семи миллиардов лет (этот порог соответствует космологическому красному смещению, превышающему единицу). Некоторые ученые даже открыто сомневались, что столь древние звездные скопления в самом деле существуют в значительных количествах. Устранению этого заблуждения помог случай. В 1995 году руководитель научных программ космического телескопа «Хаббл» Роберт Уильямс попросил у нескольких авторитетных астрономов совета, как лучше всего использовать ту долю обсервационного времени, которой он распоряжался по своему усмотрению. Часы горячих споров ни к чему не привели — каждый участник встречи отчаянно боролся за собственную программу. И тогда кто-то предложил просто направить телескоп в любую точку небесной сферы и «просверлить там дыру максимальной глубины» (именно в таких выражениях).

Эта идея оказалась на редкость плодотворной. В рамках нового проекта HDF (The Hubble Deep Field) орбитальная обсерватория более десяти суток наблюдала участок небесной сферы площадью в 5,25 квадратной угловой минуты. В результате было обнаружено несколько тысяч сверхдалеких галактик, часть которых (с красным смещением порядка 6) возникла всего через миллиард лет после Большого взрыва. Стало совершенно ясно, что процесс возникновения звезд и звездных скоплений шел полным ходом, когда Вселенная была в 20 раз моложе своего нынешнего возраста. Дальнейшие наблюдения в рамках проектов HDF-South и Great Observatories Origins Deep Survey только подтвердили эти выводы. А в январе 2011 года астрономы из Нидерландов, США и Швейцарии сообщили о вероятной идентификации галактики с более чем десятикратным красным смещением, возникшей не позднее 480 млн лет после Большого взрыва. Можно надеяться, что уже в нынешнем десятилетии космические и наземные телескопы отловят звездный свет с двадцатикратным красным смещением, который ушел в космос, когда Вселенной было не более 300 млн лет.

Отдельные звезды первого поколения, в отличие от составленных из них галактик, еще не обнаружены. Это и понятно — их излучение достигает Земли в виде очень слабых потоков фотонов, отодвинутых красным смещением в далекую инфракрасную зону. Однако за несколько сотен миллионов лет с момента своего рождения эти светила (их также называют звездами популяции III) так повлияли на состав межгалактического вещества, что эти изменения замечают даже современные телескопы. С другой стороны, теоретики неплохо разбираются в процессах, которые свыше 13 млрд лет назад впервые запустили процесс рождения звезд и звездных скоплений.

Астрономам известны совсем новенькие суперсветила. Пальма первенства принадлежит звезде R136a1, открытой в 2010 году. Она отстоит от Земли на какие-то 160 000 световых лет. Сейчас она тянет на 265 солнечных масс, хотя при рождении имела массу в 320 солнечных. R136a1 около миллиона лет, но она выбрасывает вещество в пространство с такой силой, что за это время похудела на 17%! Поскольку первые звезды появлялись на свет с массой того же порядка, можно предположить, что и они так же интенсивно теряли материю. Однако с выводами торопиться не стоит. Генерация звездного ветра происходит при существенном участии элементов тяжелее гелия, которыми первые звезды не располагали, поэтому вопрос остается открытым.

Облака-предшественники

Звезды образуются из диффузной космической материи, сгустившейся под действием сил гравитации. В общих чертах этот механизм был ясен еще Ньютону, что следует за датированного 1961 годом письма, адресованного филологу Ричарду Бентли. Разумеется, современная наука сильно обогатила ньютоновское объяснение. В начале прошлого века британский астрофизик Джеймс Джинс доказал, что газовое облако коллапсирует лишь в том случае, если его масса превышает определенный предел. Когда газ стягивается к центру облака, возрастает его давление и возникают звуковые волны, распространяющиеся к периферии. Если их скорость меньше скорости гравитационного стягивания газа, облако продолжает коллапсировать, увеличивая плотность вещества в центральной зоне. Поскольку скорость звука пропорциональна квадратному корню температуры, а темп гравитационного сжатия возрастает вместе с массой, газовое облако коллапсирует тем легче, чем оно холоднее и тяжелее.

Во времена юной Вселенной в возрасте нескольких десятков миллионов лет космический газ состоял из водорода (76% массы) и гелия (24%), образовавшихся через несколько минут после Большого взрыва (плюс совсем немного лития). Его температура не особенно отличалась от температуры реликтового микроволнового излучения, которая к тому времени составляла около 100К. Пространство было заполнено и темной материей, плотность которой тогда была довольно высока (сейчас из-за расширения Вселенной она в десятки раз меньше). Темная материя, как и обычная, служит источником тяготения и потому вносит вклад в полную гравитационную массу газовых облаков. В этих условиях масса Джинса составляет примерно 105 солнечных масс. Это и есть нижний предел полной массы скоплений обычной (барионной) и темной материи, из которых могли родиться первые звезды. Для контраста следует отметить, что звезды нашей Галактики, в том числе и Солнце, появились на свет без всякой помощи темной материи.

В космологии существуют четыре основные шкалы расстояний, основанные на яркости объектов (Luminosity Distance, DL), угловых размерах (Angular Diameter Distance, DA), времени прохождения света (Light Travel Time Distance, DT), а также сопутствующая шкала (Comoving Distance, DC). Для расстояний менее 2 млрд. световых лет эти шкалы практически совпадают. DL: в расширяющейся Вселенной далекие галактики выглядят гораздо более тусклыми, чем в стационарной, потому что фотоны испытывают красное смещение и «размазываются» по большему пространству. DA: мы видим галактики на самом краю видимой Вселенной так, как они выглядели 13 млрд. лет назад. Но когда свет от них начал свой путь к нам, они были не только моложе, но и гораздо ближе. Поэтому далекие галактики выглядят значительно более крупными, чем можно было бы ожидать. DC: сопутствующая шкала расширяется вместе с нашей Вселенной. Она указывает, где находятся далекие объекты в данный момент (а мы видим Вселенную более молодой). По этой шкале граница видимой Вселенной находится приблизительно в 47 млрд. световых лет от нас. DT: эта шкала основана на времени прохождения света от далеких галактик до земного наблюдателя. Именно эту шкалу чаще всего используют астрономы, поскольку она одновременно показывает и расстояние, и возраст далеких галактик.

Темное начало

Роль темной материи в запуске процесса звездообразования исключительно важна. Ионизированный водородно-гелиевый газ, заполнявший пространство вплоть до эпохи возникновения нейтральных атомов (около 400 000 лет после Большого взрыва), был настолько «сглажен» взаимодействием с реликтовым электромагнитным излучением, что его плотность всюду была практически одинакова. Если бы еще и темная материя равномерно распределялась по космическому пространству, то локальным газовым сгусткам просто неоткуда было бы взяться, и звездообразование никогда бы не началось. Этому помешали флуктуации квантовых полей, породившие частицы темной материи в первые мгновения после Большого взрыва. Поскольку она не была подвержена нивелирующему действию реликтовой радиации, ее плотность кое-где несколько превышала средние значения. Эти максимумы плотности создавали гравитационные «колодцы», в которых собирались частицы газа. Темная материя не только обеспечивала формирование первичных газовых облаков, но и влияла на их последующий коллапс. Она создавала гравитационные конверты, внутри которых обычный газ закручивался приливными силами и превращался в тонкий вращающийся диск. Так формировались протогалактики, окруженные оболочками (гало) из темной материи. Локальные уплотнения внутри диска давали начало отдельным звездам.

Но это еще не полная картина. Поскольку уплотняющийся газ нагревается, его давление растет и противодействует дальнейшему коллапсу. Чтобы коллапс не прекратился, газ должен охладиться. Для звезд, формировавшихся в нашей Галактике, в том числе и для Солнца, это не составляло проблемы. В те времена космическая среда уже содержала частицы пыли и отдельные многоэлектронные атомы (скажем, азота, углерода и кислорода). При столкновениях они легко излучали фотоны и теряли энергию, вследствие чего температура газовой среды упала до 10−20 К. У первичных облаков такого выхода не было, и они могли терять температуру лишь за счет излучения атомарного и молекулярного водорода. Но атомарный водород служит эффективным охладителем лишь при нагреве свыше 10 000 К, а первичные облака были много холоднее. Процесс звездообразования спасали двухатомные молекулы водорода, теряющие энергию уже при нескольких сотнях кельвинов. По всей вероятности, они возникли благодаря столкновениям атомов водорода со свободными электронами, которых в космическом пространстве вполне хватало (электроны лишь катализировали эту реакцию и потому сами не расходовались).

Когда зажглись первые звезды, не знает никто, но некоторые специалисты полагают, что это могло произойти всего через 30 млн лет после Большого взрыва. Не исключено, что в будущем эту дату пересмотрят, однако есть все основания утверждать, что в возрасте 100 млн лет Вселенная уже обладала звездными популяциями.

Звезды-пионеры были законченными эгоистами. Они заливали окружающее пространство жестким ультрафиолетом, легко разрушающим молекулы водорода, и тем самым препятствовали возникновению новых звезд. Однако своим излучением (особенно рентгеном) они постоянно подогревали окружающее пространство. Поэтому космический газ постепенно прогрелся до температур, при которых на холодильную вахту заступил атомарный водород, и процесс звездообразования возобновился. Более того, этот процесс усилился, поскольку атомарный водород при температурах свыше 10 000 К излучает больше энергии, нежели молекулярный. Вторая стадия интенсивного формирования звезд популяции III имела место внутри самых ранних галактик, которые были еще очень мелкими (по современной классификации — карликовыми).

Эра светил

Дозвездная вселенная не отличалась сложностью. Ее состояние описывает лишь несколько космологических параметров — в частности плотность различных форм материи и температура реликтового излучения. Новорожденные звезды одновременно исполняли роль мощных источников электромагнитных волн и фабрик химических элементов. Хотя жизненный срок первых светил был недолгим, они качественно изменили космическую среду.

Знаменитая картинка Hubble Deep Field (HDF). Она собрана из 342 отдельных снимков, сделанных камерой WFPC2 в течение 10 дней с 18 по 28 декабря 1995 года. На этом небольшом участке неба астрономы с удивлением обнаружили более 1500 галактик в различных стадиях эволюции.

Первые звезды вспыхивали в зоне повышенной плотности газовых частиц, образовавшихся в ходе гравитационного коллапса облаков барионной и темной материи с массой порядка 105−106 солнечных масс. Естественно, существуют разные сценарии звездообразования (их можно обсчитать на суперкомпьютере, хотя и не полностью), но в целом все модели сходятся в том, что в ходе фрагментации первичных облаков внутри гало из темной материи формировались сгустки газа, тянущие на несколько сотен солнечных масс. Эта величина соответствует массе Джинса для температуры около 500 К и плотности газа порядка 10 000 частиц на 1 см³. Поэтому вскоре после формирования газовые сгустки теряли устойчивость и претерпевали гравитационный коллапс. Их температура возрастала весьма умеренно благодаря охлаждающему действию молекулярного водорода. В конечном счете они превращались в аккреционные диски, в которых и родились первые звезды.

До недавнего времени считали, что коллапсирующий сгусток с подобными параметрами больше не распадается и становится родоначальником единственной звезды. Вычисления, основанные на оценке темпов аккреции газа к центру диска, показывают, что масса таких звезд не могла быть больше 1000 солнечных масс. Это теоретическая верхняя граница, и пока не ясно, действительно ли существовали подобные сверхгиганты. Согласно консервативным оценкам, звезды первого поколения не были тяжелее 300, максимум 500 солнечных масс. Нижний предел массы этих звезд задается тем, что молекулярный водород способен снизить температуру облака только до 200 К, и потому звезда, не дотягивающая до 30 масс Солнца, просто не может родиться. Поскольку первичные облака фрагментировались на множество локальных сгущений, первые звезды, скорее всего, возникали сериями численностью в сотни, тысячи (а то и больше) светил. Конечно, это были еще не галактики (те сформировались позднее), но все-таки вполне внушительные звездные сообщества.

Первые звезды навсегда изменили состав межгалактической среды. Они практически уничтожили молекулярный водород, стопроцентно ионизировали водород атомарный и запустили синтез элементов тяжелее гелия и лития, которые до того в природе еще не существовали. Звездное население той далекой эпохи погибло в ранней юности, но оставило после себя обновленный космос, в котором возникли условия для формирования крупных галактик и звезд с планетными системами. Одна из таких звезд красуется на нашем небосводе.

Звезды в сотни солнечных масс отличались яркостью и величиной. Их поверхность была разогрета до 100 000 К (атмосфера нашего Солнца в 17 раз холоднее). Типичный радиус такой звезды составлял 4−6 млн км против 700 000 км у Солнца, а светимость превосходила солнечную в миллионы раз. Их существование было очень коротким, максимум 2−3млн лет, и завершали они его неодинаково. Звезды, которые появлялись на свет с массой в140−260 солнечных, в конце жизни сгорели без остатка в сверхмощных термоядерных взрывах, высвобождая энергию порядка 1053 эрг. Светила большей и меньшей массы коллапсировали в черные дыры. А вот нейтронных звезд они после себя не оставили- это удел светил с начальной массой 12−20 (максимум 30) солнечных масс, время которых тогда еще не пришло. Конечно, все вышесказанное — теоретические сценарии, ведь первые звезды никто никогда не наблюдал. Однако же некоторые из них в момент гибели породили мощнейшие гамма-всплески, почти доступные для современной аппаратуры. В 2009 году был замечен всплеск, датируемый 630 млн лет жизни Вселенной, а регистрация еще более ранних всплесков уже не за горами.

Совсем недавно возникли сомнения в правомерности модели изолированного возникновения первых звезд. В феврале 2011 года астрофизики из ФРГ и США опубликовали в журнале Science результаты компьютерного моделирования динамики аккреционных дисков, положивших начало первым звездам. Анализ показал, что такие диски, скорее всего, распадались на фрагменты, и первые звезды появлялись на свет не поодиночке, а парами, тройками и даже более крупными группами.

А не случилось ли так, что отдельные звездные эмбрионы под действием тяготения своих соседей вылетали за границы диска еще до того, как набрали огромную массу? В этом случае среди звезд третьей популяции могли оказаться и довольно легкие светила, способные протянуть миллиарды лет и даже дожить до нашего времени. Однако, как объяснил «ПМ» профессор Техасского университета в Остине Фолькер Бромм, пока удалось проследить лишь начальный этап эволюции аккреционного диска на протяжении нескольких сотен лет: «Скорее всего первые звезды, даже появившиеся на свет группой, все-таки дорастали как минимум до нескольких десятков солнечных масс, как и полагали ранее. Так что гипотетическое появление в ту эпоху светил с умеренной массой- всего лишь логическая возможность».

От суперзвезд к гипердырам

Черные дыры, которые оставили после себя первые звезды, были, во всяком случае, легче их самих и вряд ли имели более сотни солнечных масс. Однако результаты анализа излучения древних квазаров позволяют утверждать, что спустя 800−900 млн лет после Большого взрыва во Вселенной уже имелись черные дыры в миллиард раз тяжелее Солнца. Как могли возникнуть подобные гиганты за столь короткое время? «На первый взгляд в этом нет никакой загадки, — говорит Абрахам Лёб, профессор астрономии Гарвардского университета и автор недавно опубликованной монографии о первых звездах. — Если постоянно щедро снабжать дыру веществом, с течением времени ее масса станет увеличиваться по экспоненте, подобно колонии бактерий в богатой питательной среде. На таком режиме за несколько сотен миллионов лет дыра, начавшая с сотни солнечных масс, спокойно доберется до миллиарда. Однако дело в том, что гипотеза стабильной подпитки черной дыры аккретирующим газом не соответствует действительности. Вычисления показали, что такая аккреция прерывается по целому ряду причин. Так, при слиянии галактик черные дыры образуют двойные системы, излучающие мощные гравитационные волны, которые буквально вымывают газ из окрестного пространства. А в отсутствие непрерывной подпитки экспоненциального роста просто не будет. Однако есть и другая возможность. Результаты этого же компьютерного моделирования показывают, что внутри первых карликовых галактик, которые уж точно существовали спустя 500 млн лет после Большого взрыва, могли сформироваться подлинные звезды-исполины. Молекул водорода в пространстве тогда уже не осталось, а среда из атомарного водорода не могла снизить температуру менее 10 000 К. Однако эти галактики все же имели солидный объем и с помощью темной материи захватывали много больше газа, нежели облака, положившие начало самым первым звездам. В этой ситуации возможен сценарий, в соответствии с которым горячий коллапсирующий газ не распадается на многочисленные сгустки, а очень быстро, без предварительного формирования аккреционных дисков, порождает одиночные и парные звезды в несколько миллионов солнечных масс. После них могли остаться черные дыры-миллионники, имеющие реальный шанс тысячекратного роста в течение последующих 300−400 млн лет. Это решает загадку раннего появления сверхмассивных черных дыр — пока, естественно, только в теории».