О расширении Вселенной

В 1917-1922 году астрономом Слайфером было обнаружено движение галактик (тогда их еще так не называли - они были просто "внегалактическими туманностями" ) по направлению от Солнца.
Само удаление или приближение объекта и его скорость оценить не столь уж сложно, если объект излучает или поглощает фотоны стандартной энергии (а это случается, особенно в астрономии, повсеместно - если в оболочке звезды есть атомы любого химического элемента, то они поглощают именно те фотоны, энергия которых равна энергии возбуждения внешних электронов атома, так что в спектре звезды этих фотонов не будет, а будет видна темная линия поглощения именно при этой длине волны). Если объект неподвижен, то эта линия излучения или поглощения будет находиться на своем месте, обесловленном строением этого атома. Если объект приближается к нам, то энергия его движения прибавляется к энергии фотонов, и в результате будут излучаться (или поглощаться) фотоны чуть более высокой, чем положено по строению атома, энергии (в спектре линия излучения или поглощения будет находиться не на своем месте, а в области более высоких энергий - смещение в "синюю" область спектра). Если же объект удаляется, то энергия его движения вычитается из энергии движения фотонов, и мы видим смещение линий поглощения в область более низких энергий фотонов (в "красную" область). Это - хорошо известный эффект Допплера.
Это явление смещения стандартных спектральных линий при удалении или приближении объекта называется, соответственно, красным или синим смещением. Величина смещения пропорциональна скорости приближения или удаления, что позволяет измерять эту скорость с весьма высокой точностью.

В конце 1920 годов, когда развитие техники уже позволяло увидеть самые яркие звезды в соседних галактиках, Хаббл оценил расстояние до ближайших галактик.
Он использовал переменные звезды - цефеиды https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/6900.html как стандартные свечи.
Напомню: стандартные свечи - это объекты или явления, яркость которых заведомо известна, так что, измеряя количество приходящего от них света, можно узнать расстояние до них.
Цефеиды являются стандартными свечами, потому что яркость цефеид и период колебаний этой яркости связаны прямой и известной (и Вам - тоже!) зависимостью, так что, зная период пульсации светимости, можно узнать и яркость звезды. При этом цефеиды - это весьма яркие гиганты или сверхгиганты, так что их в те времена можно было видеть даже в соседних галактиках.

В результате работ Хаббла выяснилось, что галактики не просто убегают от нас, но скорость их убегания еще и пропорциональна расстоянию. Чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. Отсюда следовал простой и неопровержимый вывод - Вселенная равномерно расширяется. Все объекты, не связанные гравитационными силами, удаляются друг от друга со скоростями, пропорциональными расстоянию между ними. Или, что то же самое, во Вселенной непрерывно рождается новое пространство.
Коэффициент пропорциональности между расстоянием до галактик и скоростью их удаления (постоянная Хаббла) многократно уточнялся. Современное его значение - примерно, 72 км/с на мегапарсек (это означает, что галактика, удаленная от нас на 3,26 миллиона световых лет, "убегает" со скоростью примерно 72 км/с, а, скажем, на 32,6 миллиона световых лет - 720 км/с).

При этом достаточно интересным оставался вопрос - а является ли постоянная Хаббла действительно постоянной, и не меняется ли она (а вместе с ней - и темп расширения Вселенной) со временем. Для ответа на этот вопрос нужно было измерить точно расстояние до очень далеких галактик, которые находятся от нас на расстояниях в миллиарды световых лет, и сравнить это расстояние со скоростью их убегания, определенной по красному смещению. Таким образом можно узнать, каким было значение постоянной Хаббла во времена, соответствующие моменту наблюдения галактики (миллиарды лет назад).
Но проблема заключалась в том, что на таких расстояниях никакой речи о наблюдении цефеид как стандартных свечей быть не могло - с такого расстояния их и вообще, отдельные звезды, увидеть было невозможно, не только из-за большого расстояния, но и из-за космологического ослабления яркости https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/7900.html. Постоянную Хаббла по цефеидам удавалось узнать только для близких галактик, отстоящих на миллионы или десятки миллионов световых лет, а таким образом можно лишь узнать, каким было значение постоянной всего лишь миллионы или десятки миллионов лет назад. То есть, по космическим меркам, буквально вчера.

Вообще-то, для измерения очень больших расстояний - в сотни миллионов и миллиарды световых лет - в качестве стандартных свечей можно использовать значительно более мощные объекты - сверхновые типа Ia, про которые я говорил https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/5401.html. Они образуются при перетекании вещества на поверхность массивных белых карликов, в тот момент, когда масса белого карлика достигает предела его устойчивости. А так как этот предел у всех один, и определяется он свойствами элементарных частиц, масса звезды в момент взрыва, а стало быть, кажется, что его яркость и мощность для сверхновых этого типа отличаются друг от друга ненамного, так что, измерив видимую яркость такой сверхновой, можно определить расстояние до нее. А взрыв сверхновой очень ярок и виден издалека - намного дальше, чем даже гиганты или сверхгиганты - цефеиды. Тут уже яркость взрыва сравнима с яркостью галактики...
Но даже в этом случае, чтобы увидеть сверхновую с расстояния в миллиарды световых лет, нужны очень мощные телескопы, а еще терпение - ибо они не столь уж часто взрываются. Опять же, простая теория усложнена на практике, ибо на мощность и яркость взрыва сверхновой типа Ia заметно влияют собственный момент (скорость вращения) и состав карлика. Поэтому одним наблюдением решить проблем нельзя - нужны статистика и тщательный анализ.
Проблема заключается еще и в том, что то, что кажется простым, оказывается куда более сложным - в реальном мире сверхновые типа Ia взрываются не только (и даже не столько) в результате аккреции вещества на белый карлик, но еще и в результате слияния белых карликов - а уж тут яркость взрыва определяется массой слившихся звезд. А на самом взрыве не написано, отчего он произошел. В результате реальные светимости сверхновых типа Ia могут различаться на порядок.
К счастью, яркость сверхновой в максимуме и кривая ее светимости (изменение яркости со временем, прошедшим с момента взрыва) связаны почти однозначно, так что, измеряя кривую светимости, можно достаточно точно установить максимум абсолютной светимости, что позволит использовать взрыв как стандартную свечу.
(Тут стоит сделать примечание и еще раз повторить. На удивление многие, не только простые, но даже и серьезные популяризаторы регулярно повторяют утверждение о том, что взрывы сверхновых типа Ia имеют одинаковую светимость. Не верьте. Не одинаковую. Но для большей части таких сверхновых этого типа их абсолютная светимость в максимуме может быть более или менее точно рассчитана по наблюдениям кривой светимости).

В результате таких длительных и кропотливых наблюдений сверхновых этого типа в далеких галактиках в 1997 году удалось убедительно показать, что яркость их взрывов ниже той, которая им полагается по закону Хаббла. Иными словами, расстояние до этих галактик, рассчитанное прямым измерением по яркости взрыва сверхновых, оказалось большим, чем расстояние, вычисленное по красному смещению при современном значении постоянной Хаббла. А отсюда следовал интересный вывод - в прошлом значение постоянной Хаббла было ниже. То есть, Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением. А ведь ожидался противоположный результат - расширение Вселенной должна была замедляться. Полагали, что после Большого взрыва темп ее расширения был максимальным, а потом он начал снижаться под воздействием гравитации...
Это открытие, позже подтвержденное другими методами (по наблюдениям гравитационных линз, по точным измерениям параметров оставшегося от Большого взрыва реликтового излучения) показало, что Вселенная не столь проста, сколь нам хотелось бы. В ней есть скрытая энергия, обеспечивающая ее расширение, так называемая, "темная энергия", которая создает отрицательное давление, расширяющее Вселенную. И чем больше Вселенная расширяется, тем большей является темная энергия, способствующая ее расширению. В сущности, сегодня темная энергия превосходит все остальные виды энергии, вместе взятые, в том числе, и "темную материю", примерно в три раза.
Что интересно - наблюдения показывают, что ускоренное расширение Вселенной началось примерно пять миллиардов лет, как только пространства, с которым неотъемлемо связана темная энергия, оказалось достаточно. До этого расширение замедлялось, потому что пространства, а следовательно, и темной энергии, было недостаточно.

Природа темной энергии до конца неизвестна, но само открытие ускорения расширения Вселенной имеет фундаментальное значение. Именно поэтому в этом году его авторы Сол Перлмуттер, Брайн Шмидт и Адам Рииз были удостоены Нобелевской премии по физике. За открытие в астрономии.

Но и в этом факте все не до конца ясно.
Так, еще в начале 2015 года появилось исследование http://arxiv.org/abs/1502.06140, утверждающее, что все было совсем не так...
Новые высокоточные исследования яркости все тех же сверхновых типа Ia показывают, по данным авторов исследования, что Вселенная расширялась с колеблющейся скоростью, причем период колебаний постоянной Хаббла составляет около двух миллиардов лет. Авторы связывают эти колебания с осцилляциями (соответствующей частоты! период - около двух миллиардов лет!) чрезвычайно слабого неизвестного поля (скалярного - спин его квантов равен нулю) с характерной массой 3*10^-32 эВ (на 37 с лишним порядков меньше, чем масса электрона!), причем именно это поле проявляется в наблюдениях как темная материя.
Если они правы, получается, что Вселенная расширялась с переменной скоростью, совершившей за время жизни Вселенной с момента окончания инфляции https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/18359.html около семи колебаний, а представления о сути и характере темной материи и ее связи с темной энергией, о пространстве и вообще, о фундаментальном устройстве нашего мира должны быть пересмотрены.

И еще о крупномасштабной структуре Вселенной

Я уже упоминал (https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/7222.html), что нынешняя крупномасштабная структура Вселенной имеет вид некоего ячеистого образования: огромные пустые объемы пространства, именуемые войдами и имеющие размеры около пяти тысяч километров в секунду (иногда - до десяти) окружены стенами, формируемыми скоплениями галактик и филаментами, причем размеры крупнейших образований такого рода могут достигать тридцати тысяч километров в секунду, а возможно, и, неизвестно отчего, больше (об этом - позже).
(О применении километров в секунду для измерения крупнейших размеров - см. https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/7165.html).

Упоминал я также, что, как ни удивительно, такая структура сформировалась, судя по всему, в результате воздействия акустических колебаний (волн плотности, а проще говоря - звуковых волн), распространявшихся на заре образования Вселенной в ее плотном и горячем веществе. Сами волны возникали вследствие элементарной неустойчивости расширявшейся плазмы (при появлении нового пространства внутри ее) при случайных флуктуациях ее плотности.

Кое что об этом процессе:
Практически постоянно, когда речь идет о Большом взрыве, говорится и пишется, что в момент своего возникновения Вселенная была очень плотной и горячей - и только потом, расширяясь, она охладилась до нынешнего состояния (вполне естественным путем - именно вследствие расширения).
На самом деле картина является более сложной и в чем-то парадоксальной - судя по всему, спустя 10^-31 секунды после своего рождения Вселенная была пустой и холодной. И это неожиданное утверждение имеет под собой весьма веское обоснование.
Рождалась Вселенная, безусловно, плотной и горячей - ее плотность составляла примерно 5,1·10^96 килограммов на кубометр, а температура - примерно 1,4·10^32 градусов (почему столько? Потому что больше быть не могло - при больших значениях полностью теряют смысл понятия времени, пространства, расстояния и даже положения объектов друг относительно друга - словом, любые физические понятия).
Однако, как мы помним, после этого, спустя примерно 10^-43 секунды после рождения Вселенная вступила в фазу инфляционного расширения (https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/18359.html). В течение ста дециллионных долей секунды (10^-31 c) она расширялась с чудовищной скоростью - минимум, на 60 порядков быстрее, чем сейчас. В результате температура и плотность Вселенной резко упали.
И только когда закончилась инфляция, пустая и холодная Вселенная вновь нагрелась и заполнилась веществом. Можно сказать, что источником ее нагревания и всего вещества в ней явилась энергия ее расширения (в какой-то степени) - дело в том, что кванты того самого поля, которое вызвало бурное расширение Вселенной, к концу периода инфляции начали распадаться с образованием ныне существующих (а может, и уже не существующих) частиц, заполнив Вселенную привычным нам веществом и излучением.
Именно в этот момент первичные неоднородности в распределении материи (обязанные своим происхождением деталям строения поля, вызывавшего расширение), привели к тому, что в сверхгорячей и сверхплотной плазме начали формироваться звуковые волны.

Эти древнейшие колебания и запечатлелись в виде современных колоссальных неоднородностей распределения материи - крупномасштабной структуры Вселенной.
Эти неоднородности - волны плотности материи - отражаются в структуре реликтового фона в виде ничтожных колебаний его энергии (более горячие области фона излучались сгущениями материи, более холодные - разрежениями). Характерная длина звуковой волны в плазме, из которой состояла Вселенная, для момента рекомбинации (отделения вещества от излучения, конца барионной эры https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/18359.html, 380 тысяч лет с момента рождения Вселенной), когда, собственно, родилось реликтовое излучение https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/8271.html, может быть рассчитана.
А дальше начинается интересное. Получается, что мы, наблюдая реликтовое излучение (поверхность последнего рассеяния, на которой оно родилось), видим в нем звуковые волны известной длины, проявляющиеся в виде неоднородностей этого самого излучения. Соответственно, можно посчитать, какой угловой размер должны иметь эти волны, видимая в реликтовом излучении, нынче, с учетом состоявшегося за это время расширения Вселенной. Результат достаточно прост - они должны иметь размер около одного углового градуса. И в этом отношении теория замечательно соответствует наблюдениям.

Но есть здесь один нюанс.
Этот угловой размер будет наблюдаться, только если свет все это время распространялся по прямой. Если же Вселенная имеет ненулевую кривизну, то свет в ней распространяется не по прямой, а по дуге окружности (если кривизна положительна) или гиперболы (если кривизна отрицательна). Соответственно, кажущийся угловой размер акустической волны, видимой в реликтовом излучении окажется большим (для положительной кривизны) или меньшим (для отрицательной кривизны), чем положено. Ну, а дальше мы вспоминаем, что если плотность Вселенной больше критической плотности 0,119H^2/G, где H - постоянная Хаббла, а G - гравитационная постоянная, то Вселенная благодаря гравитации материи имеет положительную кривизну (и сумма углов треугольников большого размера в ней в среднем больше 180 градусов), если меньше - то, соответственно, кривизна отрицательна, и сумма меньше 180.
Получается интересный вывод - точно рассчитав длину звуковой волны для момента рекомбинации, точно измерив средний угловой размер неоднородностей реликтового излучения и сравнив результаты, мы можем узнать и среднюю плотность материи во Вселенной (полную: барионной материи, темной материи и темной энергии, https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/7483.html, и сумму углов крупномасштабных треугольников Вселенной, то есть, кривизну пространства, в котором мы живем.
Результат оказывается красивым: полученная таким образом сумма углов крупномасштабных треугольников в среднем во Вселенной равна 180,18±2 градуса. Мы действительно живем в плоской Вселенной.

А теперь - некоторые интересные факты, сопутствующие распространению акустических колебаний, которые потом превратились в сверхскопления и гиперскопления, на заре времен.

Во-первых, интересно то, что в первые секунды, минуты и даже годы жизни нашего мира длина звуковой волны в сверхгорячей и сверхплотной плазме оказывалась больше величины горизонта (то есть, произведения скорости света на время, прошедшее с момента образования Вселенной - максимального расстояния, на которые успевало к этому моменту распространиться любое взаимодействие). А это означало, что в любой области пространства плотность можно было бы считать постоянной - она просто не успевала измениться за время существования мира (см. https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/99435.html). Только позже, спустя тысячелетия, по мере расширения пространства, размер горизонта оказался большим, чем длина звуковой волны - и только начиная с этого времени, можно считать, что звуковые волны начали распространяться в пространстве (как говорят, "волны плотности начали входить под горизонт событий"). До этого момента они существовали именно как результат небольших первичных неоднородностей плотности, унаследованных от инфляционной эры.

Во-вторых, начиная с этого момента, распространение звуковых волн стало сопровождаться неожиданным эффектом. Мы знаем, что Вселенная нынче (да и в те времена тоже) состоит из темной материи и видимой (барионной) материи (причем темной материи в несколько раз больше, чем видимой). До поры до времени они (темная и видимая материя) спокойно существовали в расширяющемся мире и, что весьма вероятно, имели более или менее одинаковую плотность энергии (температуру). Однако как только плотность материи в любом видимом объеме пространства стала изменяться (звуковые волны начали входить под горизонт) - ситуация изменилась. Видимая (барионная) материя взаимодействует с электромагнитным излучением (потому, собственно, она и видимая), а темная материя с ним не взаимодействует (и поэтому она темная). В результате плотность темной материи в волне сжатия вполне могла расти: под действием собственной гравитации более плотная материя сжималась еще сильнее - и в результате амплитуда колебаний плотности темной материи со временем, по мере распространения звуковых волн, повышалась, то есть, темная материя в местах своего уплотнения сжималась все сильнее, постепенно формируя типичную картину звуковых волн, которые усиливались, создавая в пространственном распределении темной материи "впадины" (разрежения) и окружающие их "уплотнения" (будущие пустоты - войды - и филаменты - "великие стены", гиперскопления).
А вот видимая материя вела себя иначе. Стоило ей начинать уплотняться - она нагревалась, излучала еще больше фотонов, и давление фотонов, которые в те времена активно взаимодействовали с горячей плазмой, начинало препятствовать сжатию.
Соответственно, видимая и темная материя "разделились" - плотность видимой материи изменялась незначительно, так что она оставалась распределенной почти равномерно, а плотность темной - значительно, так что она начала формировать сгущения и разрежения. Заодно и температура темной материи начала падать быстрее, чем видимой.
Предполагается, что этот процесс начался спустя 75 тысяч лет после формирования Вселенной и длился примерно триста тысяч лет. К концу этого срока темная материя уже сформировала вполне заметную структуру пустот, окруженных стенками (представлявшими собой сами звуковые волны), а плотность видимой материи колебалась очень слабо из-за взаимодействия с фотонами.

И вот тут произошло еще одно ключевое событие. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура видимой материи упала настолько, что она перестала взаимодействовать с фотонами (стала прозрачной). Этот момент называется временем рекомбинации и хорошо известен по своему наблюдаемому следствию - в этот момент и появилось реликтовое фоновое излучение, то есть, фотоны с температурой почти три тысячи градусов пустились в бесконечное странствование по миру (сейчас вследствие расширения Вселенной их температура упала до 2,725 градуса Кельвина, а количество их осталось весьма внушительным - почти пятьсот штук на каждый кубический сантиметр Вселенной).

Именно с этого момента уже ничто не препятствовало сжатию видимого вещества - оно стало прозрачным, и теперь давление света на него практически не воздействовало - и это сжатие начало происходить под влиянием притяжения темной материи, начавшей сжиматься в ячеистую структуру намного раньше.
И когда мы удивляемся, как же успели так быстро сформироваться первые галактики (а самая древняя галактика наблюдается в момент, соответствующий четыремстам миллионам лет после Большого взрыва), стоит помнить, что к этому времени уже сотни миллионов лет темная материя формировала каркас нынешней структуры, способствуя своим притяжением формированию видимых объектов (по крайней мере, сгущению видимого вещества в будущие сверхскопления галактик, а возможно, и в более мелкие структуры). Амплитуда колебаний плотности видимой материи, наблюдаемая по неоднородности реликтового излучения, была куда меньшей.
(Иногда появляются мысли - не могли ли первые черные дыры, ныне являющиеся центральными телами галактик, формироваться именно в те времена из темной материи. Это бы объяснило раннее (в первый миллиард лет) формирование мощных активных квазаров (а мы помним, квазары с массами черных дыр в миллиарды солнечных и мощностью излучения, в триллионы раз превосходящие солнечную, существовали уже тогда). Только вот в чем беда - из чего состоит темная материя и может ли она коллапсировать в черные дыры, мы не знаем).

О загадках крупномасштабной структуры Вселенной

В предыдущем посте https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/63661.html я рассказывал об акустических колебаниях, сформировавших крупномасштабную структуру нашего мира, и о том, как они проявляются и обнаруживаются в реликтовом фоновом излучении.

Что интересно - аккуратные расчеты, выполненные с учетом современных представлений о физических процессах, протекавших в веществе Вселенной во время, отсчитываемое с первых моментов ее существования (от завершения эпохи космологической инфляции https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/18359.html до окончания барионной эры, сопровождавшегося рекомбинацией и рождением самого реликтового фона), позволяют оценить длину звуковых волн в плазме в момент рекомбинации, 380 тысяч лет с момента рождения Вселенной. И заодно можно рассчитать, каким должен был быть угловой размер этих акустических волн, наблюдаемых нами в фоновом излучении сейчас, спустя почти 13,8 миллиарда лет.
А что вдвойне интересно - то, что я говорил: рассчитанные результаты восхитительно точно совпадают с наблюдениями: теоретические расчеты утверждают, что наблюдаемый нами в реликтовом фоновом излучении угловой размер существовавших тогда звуковых волн в плазме (сгущений-разрежений плазмы в тот момент, когда она, остыв, стала прозрачной) должен быть равным примерно одному градусу. Наблюдения реликтового фона послушно подтверждают расчеты - угловой размер областей колебаний его энергии примерно равен одному угловому градусу, причем эти колебания интенсивности являются весьма однородными.
Кстати, заодно совпадение расчетов с практикой позволило подтвердить странное свойство темной материи - ее бесстолкновительный характер, который упоминался мной не раз - она не взаимодействует ни с собой, ни с видимой материей никак, не считая гравитационного взаимодействия.
Совпадение теории с практикой всегда приятно. Однако дальше начинаются некоторые странности и загадки.

В принципе, зная размер неоднородности плотности видимой (барионной) материи в момент 380 тысяч лет от Большого взрыва, представляя себе, как менялся темп расширения Вселенной во времени и зная долю темной материи во Вселенной, можно рассчитать, какого размера достигают уплотнения материи (бывшие звуковые волны) в настоящее время. Очевидно, что это размер и будет являться характерной величиной крупномасштабных структур Вселенной - стен и войдов, о которых речь шла здесь: https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/7222.html.
Разумеется, это было сделано. И оказалось, что характерный размер неоднородностей должен не превышать примерно 25-30 км/с (почему размер измеряется в километрах в секунду? Если Вы забыли, прочитайте https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/7165.html - и узнаете, почему километр в секунду равен нынче 46330 световым годам). То есть, размер крупнейших структур во Вселенной, "стен" (гиперскоплений галактик) и войдов, не должен был бы превышать, с учетом всяких обстоятельств, миллиарда - миллиарда двухсот миллионов световых лет.
И вот тут на ум сразу же приходит Великая стена Слоан - крупнейший достоверно известный филамент (гиперскопление галактик), состоящий из нескольких тысяч скоплений галактик, имеющий длину около 1,37 Gly - миллиарда световых лет. Размер этого образования превышает допустимый расчетами.
Однако анализ строения Великой Стены Слоан показывает, что она состоит из разнородных образований. Так, две крупнейших сверхскопления галактик, входящих в этот филамент - SCI 111 и SCI 126 - совершенно различны по структуре. SCI 126 является нитевидным или, вернее, веретеновидным образованием, насчитывающим большое количество относительно молодых галактик с активным звездообразованием, в том числе, спиральных. SCI 111, скорее, представляет собой цепочку сгущений (скоплений галактик) с менее выраженной активностью. Скорее всего, это говорит о том, что SCI 111 - более старое сверхскопление, которое проэволюционировало дальше и успело начать фрагментировать под действием собственной гравитации, и его галактики тоже яляются более старыми. Так что пример Великой стены Слоан не фатален
(Замечу, кстати, что наш собственный гиперкластер Рыб-Кита тоже немаленький - он имеет размер около миллиарда световых лет, и вписывается в теорию "на пределе" - впрочем, уверенности в том, что он представляет собой единый объект, еще меньше, чем в случае Великой стены Слоан).

Но начиная с 2013 года дело пошло хуже.
Отдаленные гиперскопления рассмотреть почти невозможно - в них даже крупные галактики видны лишь посредством всяческих ухищрений. Единственное, что в них можно видеть с большого расстояния без специальных методов - это квазары, ибо яркость квазара, как мы помним, может достигать триллионов (и даже сотен триллионов!) солнечных - особенно, если он удачно ориентирован. В результате мы с большого расстояния уже видим не сверхскопления и гиперскопления галактик, а лишь квазары в них, образующие группы соответственно расположению в скоплении - так называемые большие группы квазаров (LQG).
И вот летом 2013 года было опубликовано исследование, утверждаюшее, что 73 квазара на небе группируются в вытянутую линию длиной четыре миллиарда световых лет. Это было неприятно - во-первых, противоречило теории, во-вторых, наблюдения реликтового фона не дают ни малейшего намека на существование в момент рекомбинации неоднородностей подобного масштаба.
Дальше - больше. Появилось интригующее известие о том, что 34 квазара, формирующих группу Кловис-Кампусано, имеющую размер около двух миллиардов световых лет, находятся в интригующей близости (менее 1,8 миллиарда световых лет) от указанной выше группы, а в двух градусах от нее на небе находится еще одна группа U1.11 из тридцати восьми квазаров длиной 2,2 миллиарда световых лет - так что все это, в принципе, может указывать на существование единой суперструктуры колоссального размера.
Карта расположения этих групп, именуемых, соответственно, Huge LQG (черные кружочки) и CCLQG (красные крестики):

Они не являются случайной проекцией разноудаленных квазаров - среднее красное смещение обеих групп практически одинаково, 1,27 и 1,28, что соответствует разности в расстояниях не более трехсот миллионов световых лет (при том, что группы удалены от нас почти на девять миллиардов световых лет).
Наглядное трехмерное изображение обеих групп:

Колоссальный размер образований легко видеть на координатной шкале - по склонению Huge LQG занимает на небе 15 градусов, а вместе с CCLQG - целых двадцать (более двадцатой части небосвода!).
И небольшое предупреждение: не торопитесь пересчитывать углы в размеры - вспомните про то, что расстояние по угловому размеру в нашем мире является не слишком тривиальной величиной (https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/7900.html).

Изучение реликтового фона продолжало между тем упорно указывать на то, что неоднородностей подобного масштаба в нем не обнаруживается, так что структурам подобных размеров во Вселенной просто неоткуда взяться - разве что, случайно, потому что волны плотности распространялись случайным образом и где-то они могли "вытянуться" в длинную линию. Увы, рассчитать вероятность такой случайности невозможно - нет данных.

А тем временем пытливый разум астрономов не дремал. Квазар - штука, конечно, яркая, но и его с расстояния в десять-двенадцать миллиардов световых лет видно плохо. А разглядеть подряд несколько десятков квазаров с таких расстояний - занятие вообще муторное. А что ярче квазара? Правильно, гамма-всплески https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/9114.html - эти монстры намного ярче и вообще, видны с любого расстояния. Правда, определить расстояние до гамма-всплеска удается не всегда (это - если говорить очень мягко, вообще же определение расстояния до гамма-всплеска - это редкая удача), зато расположение их определяется с большой точностью.
И вот в ноябре 2013 года статистический анализ распределения гамма-всплесков на небе навел на мысль о том, что в созвездиях Геркулес - Северная Корона плотность гамма-всплесков, а стало быть, и расположения галактик, статистически повышена, причем размер области, в которых эта плотность повышена по сравнению с остальным небом, размахивается на десять миллиардов световых лет. Точнее говоря, 10х7,2 миллиарда световых лет (!).
Гипотетический монстр получил сначала название Великой стены Геркулес - Северная Корона и сразу же задал удивительное количество вопросов. Мало того, что он своими размерами не соответствует ни теории, ни наблюдениям за неоднородностями реликтового фона. Интересно еще и то, что видим мы его в тот момент, когда Вселенной было 3,9 миллиарда лет - при этом в такое время область размером 10 миллиардов световых лет просто не могла сформироваться закономерным образом, потому что ее крайние точки еще не были причинно связаны (не "видели" друг друга - ведь свет от каждой из них мог распространиться всего лишь на 3,9 миллиарда световых лет).
Проведенные уже в 2015 году исследования показали, что с учетом всех известных факторов вероятность случайного распределения гамма-всплесков таким несимметричным образом весьма низка. То есть, списать полученный результат на статистическую флуктуацию достаточно сложно.
Заодно, в связи с тем, что это образование выходит за пределы созвездий и Геркулеса, и Северной Короны, для него предложено труднопереводимое название NQ2-NQ4 GRB overdensity (область повышенной плотности гамма-всплесков в квадрантах NQ2-NQ4) или, точнее и со средневековой пышностью, "unnamed galaxy supercluster corresponding to the NQ2-NQ4 GRB overdensity".
При этом вскоре после выхода первой работы, посвященной обнаружению пресловутого NQ2-NQ4 GRBO, был опубликован очередной результат изучения реликтового фона с большей точностью. Неоднородностей подобного масштаба в нем никак не обнаруживается.
Конечно, эта структура могла бы быть случайным объединением нескольких гиперскоплений (случайным наложением нескольких ранних акустических волн) - но это выглядит не слишком вероятным.
А уже в июле 2015 года еще одна группа исследователей сообщила, что по данным наблюдений распределения все тех же гамма-всплесков, между z=0,78 и z=0,86 расположена еще одна суперструктура повышенной плотности диаметром более пяти с половиной миллиардов световых лет (https://arxiv.org/abs/1507.00675). Структура, якобы, имеет интригующую кольцеобразную форму (собственно, кольцо слегка сплющено и занимает на небе площадь 43 на 30 градусов).
Словом, загадка...
Одно из возможных направлений ее разгадки, которое активно исследуется - это попытки объяснить эти наблюдаемые феномены, исходя из теории струн: то, что мы наблюдаем и не можем объяснить - это гигантские струны космического масштаба, разрастающиеся в соответственном темпе и притягивающие своей гравитацией и видимую, и темную материю.

А тем временем последние исследования все чаще подтверждают подозрение, что в направлении созвездия Эридана буквально у нас под боком (примерно три миллиарда световых лет) находится войд колоссального размера - диаметром около 1,8 миллиарда световых лет (про войды - все там же, https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/7222.html) - тоже неприлично большой. Собственно, обнаруживается он по эффекту Сакса-Вольфа https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/233011.html как холодное пятно в реликтовом излучении, но то, что это огромное (пять угловых градусов, при том, что, напомню, видимый угловой размер акустических колебаний в плазме времен формирования реликтового излучения - один градус) холодное пятно в реликтовом фоне обязано своим появлением именно войду необъяснимо гигантских размеров, требует доказательства. Ибо существуют альтернативные версии - вплоть до самых экзотических, таких как отпечаток древнего взаимодействия с одной из параллельных Вселенных или остаток топологического дефекта нашего мира, проявлявшегося в раннюю эпоху (космическая текстура).
Впрочем, чем дальше, тем больше находится подтверждений тому, что речь идет именно о колоссальном супервойде.
А вот войд такой величины на разъевшиеся реликтовые струны космологического размера списать уже проблематично... Хотя и это кто-то может попробовать...

Эта странная NGC 1600

На фотографии - не слишком крупная и не слишком далекая (150 миллионов световых лет) эллиптическая галактика NGC 1600 класса E3 полной массой около триллиона солнечных (в три раза меньше нашей! Это при том, что в норме эллиптические галактики промежуточной массы сравнимы с Млечным путем или несколько его превосходят).

Она относится к галактикам поля (https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/2002.html), что само по себе, как я говорил, для эллиптических галактик не слишком характерно, и, судя по всему, сформировалась достаточно поздно (5 - 8 миллиардов лет назад) - настолько поздно, что в ней еще продолжается звездообразование, удельная интенсивность которого (скорость звездообразования на единицу барионной массы) сравнима с удельной интенсивностью звездообразования в спиральных галактиках и намного превосходит удельную интенсивность звездообразования нормальной эллиптической галактики такого класса.
Словом, достаточно интересный образец эллиптической галактики, сравнительно недавно образованной большим мерджингом (или несколькими большими мерджингами), см. https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/3161.html.
Имеет три десятка галактик-спутников, среди которых есть несколько достаточно крупных, к примеру, эллиптическая галактика NGC 1603 и линзовидная NGC 1601.
Но особенно интересна в этой галактике неоожиданно большая, если не сказать, гигантская (особенно, для размеров самой галактики) масса ее центральной черной дыры - 17 миллиардов солнечных масс, что примерно в четыре тысяч раз превосходит массу черной дыры Млечного пути.
Это как минимум, на порядок превосходит "нормальную" массу черной дыры для галактики таких размеров. В сравнительно небольшой галактике находится одна из наибольших известных человечеству черных дыр. Особенно странно то, что такие черные дыры доселе по вполне понятным причинам обнаруживались в центре гораздо более крупных, гораздо более старых галактик, к тому же по понятным причинам относящихся к числу галактик скопления, так что, пожалуй, в данном случае следовало бы ожидать массу, меньшую обнаруженной, не на порядок, а куда более.
Судя по всему, сценарий фомирования галактики и ее прошлое были не слишком тривиальны, и при этом лишний раз подтверждается, что эмпирическая корреляция масс галактики и ее черной дыры может оказываться совершенно не работающей.

И интересная версия: перед нами, собственно, близкий к завершению развития ископаемый кластер (https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/1661.html) чрезвычайно малых размеров.

Интересное о галактиках

Знаете ли Вы, что цвет гигантской галактики и отношение массы ее видимого (барионного) вещества к массе ее темной материи коррелируют с количеством спутников (окружающих ее и гравитационно взаимодействующих с ней карликовых галактик)?
При прочих равных условиях, чем больше спутников у галактики, тем более красной она является и тем меньше ее видимая масса (тем большую долю ее массы составляет темная материя).
Причина этого оказывается довольно интересной и спрятана под катом (желающие могут придумать ее самостоятельно).

( Ответ )

Вот такой интересный и кажущийся парадоксальным вывод. В жизни все бывает взаимосвязано странным образом...

Кое-что интересное

На этих двух фотографиях мы видим одно и то же явление - две удаленные и, соответственно, древние (события происходят во времена реионизации https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/18359.html) галактики формируют свой диск, вытягивая газ из длинной холодной газовой нити (филамента), сформированной притяжением соответствующего филамента темной материи.
На второй фотографии длина видимой нити превышает два миллиона световых лет.
Фотографии подтверждают сразу два факта.
Во-первых, структура нити формируется темной материей (именно ее гравитационное воздействие "удерживает" вытянутое облако водорода вдоль нити). Это говорит о том, что сама темная материя как минимум, в те древние времена структурировалась подобными нитями.
Во-вторых, собственно, межгалактический газ структурируется аналогично остальным компонентам барионной материи.

Погибли при попытке к бегству...

На этой грустной фотографии мы видим сверхновые, взорвавшиеся одна на периферии галактики, а другая - вообще за ее пределами.
Казалось бы, совершенно неожиданное место для сверхновых типа Ia (напомню, что это - сверхновые, взрывающиеся в результате аккреции газа на белый карлик в двойной системе https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/5401.html. В результате аккреции газа масса белого карлика растет - и рано или поздно происходит мощнейший термоядерный взрыв).

Двойные системы, бывшие прогениторами взрывов, оказались на периферии галактики (и даже за ее пределами) не просто так. Установить скорость движения прогениторов - и выяснилось, что они двигались по направлению от центра галактики со скоростью, близкой к скорости убегания.
И вот тут все начало проясняться. Приобрести такую скорость естественным путем эти системы не могли. Для одиночной звезды есть вероятность приобрести большую скорость при разрушении кратной системы (например, в несимметричной двойной системе пи взрыве очень массивного компонента вторая звезда может быть выброшена с высокой скоростью) - но для двойной системы это практически невероятно. Почти достоверным является один вариант - эти системы были выброшены из галактики гравитационным взаимодействием с центральной черной дырой.
И тут стоит вспомнить, что в нашей собственной Галактике известны сотни звезд, которые ее покидают или уже покинули. Их наблюдать сравнительно нетрудно - а вот теперь довелось увидеть звезды, погибшие при попытке бегства от чужих галактик.

Кстати, так и не рассказал раньше

Даже для самых ярких (для своего размера) и голубых эллиптических галактик классов dE и E (большие по размеру эллиптические галактики уже давно исчерпали звездообразование и стали красными, то, что в астрономии характеризуется как "read and dead", хотя всем бы нам такую бурную жизнь, как эллиптическим сверхгигантам!) оказывается, что их звездообразование новейшего времени (последнего миллиарда лет), даже подпитываемое аккрецией газа, обеспечивает не более 5% массы и от 30% до 60% яркости. То есть, не только гигантские эллиптические галактики, давно завершившие рост (даунсайзинг, https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/18047.html), но и эллиптические галактики промежуточной массы (сравнимой с Млечным путем и меньшие его) фактически в нашу эпоху прекращают эволюцию и начинают подъем в красную последовательность https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/2565.html.

Кое-что о Магеллановых облаках

Это - крупнейший спутник нашей Галактики, Большое Магелланово облако (LMC)



Это - его сосед, Малое Магелланово облако, SMC.



Большое Магелланово облако удалено от Млечного пути на 163 тысячи световых лет, уступает нашей Галактике по массе примерно в тридцать раз и имеет диаметр около двадцати тысяч световых лет.
Малое Магелланово облако находится на тридцать тысяч световых лет дальше.
Кое-что о Магеллановых облаках - здесь https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/46195.html/

Многолетнее представление о том, что Большое Магелланово Облако является неправильной галактикой, неверно - в нем заметны спиральная структура и бар. А иногда наличие остатков спиральной структуры подозревают и в Малом Магеллановом облаке.
LMC и SMC активно взаимодействуют с Млечным путем - наша Галактика своим притяжением подворовывает у них водород. Водород этот - их коллективный: обе галактики-спутника погружены в общую газовую оболочку, часть которой Млечный путь постепенно вытягивает своим притяжением.
LMC и SMC еще более активно взаимодействуют друг с другом. Они связаны друг с другом низкометалличным газовым потоком (т.н. Магеллановым мостом), настолько плотным, что в нем даже образуются звезды (правда, в небольшом количестве). А еще LMC таскает у SMC газ и звезды (подсчитано, что примерно 5% звезд Большого Магелланова Облака изначально образовались в Малом).

Ранее считалось, что обе галактики являются исконными спутниками Млечного пути. Но в последнее время изучение истории их звездообразования, морфологии и динамики заставило заподозрить бурную историю Магеллановых облаков. Есть гипотеза о том, что, по крайней мере, LMC, а скорее всего, обе галактики, родились не здесь и появились в наших окрестностях недавно, всего лишь около двух с половиной миллиардов лет назад. Ранее же они были выброшены (ну, или если так угодно, сбежали) из другого скопления галактик в результате гравитационного взаимодействия, сопровождавшегося мощной вспышкой звездообразования и практической утратой исходной структуры (вместе с изрядной долей первоначального вещества).
Кроме этого, похоже, что изначально Магеллановы облака вовсе не были столь близки - взаимодействовать они начали недавно, причем всего лишь 130 миллионов лет назад обе галактики практически столкнулись друг с другом (возможно, это и было первой их встречей).

Группа Маффеи

Есть в астрономии такое понятие - зона избегания: это область неба (более 20%), закрытая от наблюдения диском Млечного пути. Наблюдения внегалактических объектов, находящихся в зоне избегания, затруднены (подчас, весьма), а иногда, и невозможны.
Все мы знаем, что наша Галактика относится к Местной группе галактик, формируемой тремя большими галактиками (Млечный путь, галактика Андромеды и галактика Треугольника) и их спутниками (всего известно более пятидесяти галактик, относящихся к Местной группе).
Но немногие знают, что именно в зоне избегания находится ближайшая к Местной группа галактик - группа Маффеи, которая в результате того, что она закрыта от наблюдений диском нашей Галактики, была открыта и описана лишь в конце XX века (первый ее член - галактика Маффеи 1 - был обнаружен лишь в 1968 году).

Группа Маффеи преимущественно сформирована вокруг двух крупных галактик - Маффеи 1 и IC 342 - и насчитывает около двадцати известных членов (всего в ней может быть до пятидесяти галактик).
Маффеи 1 - это относительно небольшая (сравнительно с другими!) гигантская эллиптическая галактика класса Е3
диаметром несколько меньше Млечного пути, а массой - несколько больше. Как и положено галактике этого типа, состоит она преимущественно из старых, возрастом около 10 миллиардов лет, звезд и содержит более тысячи шаровых звездных скоплений (а также небольшое неактивное и весьма интригующее голубое ядро с активным звездообразованием).
Галактика расположена очень неудачно - практически в плоскости симметрии диска Млечного пути - и ее видимая яркость в результате снижена почти на пять звездных величин (https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/3650.html). Если бы не это обстоятельство, она была бы хорошо видна невооруженным глазом.
Расстояние до нее - всего 9,3 миллиона световых лет, но при этом точные измерения показывают, что она гравитационно не связана с Местной группой (то есть, участвует в общем расширении Вселенной, и гравитационное взаимодействие между Местной группой и группой Маффеи недостаточно для того, чтобы воспрепятствовать их разбеганию).
Маффеи 1 имеет семь известных спутников, среди которых есть несколько интересных:
Маффеи 2 - небольшая спиральная галактика с баром, расстояние до которой составляет 9,8 миллиона световых лет
Dwingeloo 1 - достаточно крупная спиральная галактика размером с галактику Треугольника, удаленная на 10 миллионов световых лет. Сама имеет спутники, в том числе, неправильную галактику Dwingeloo 2, уступающую ей по массе раз в пять, а также весьма плотную старую карликовую сферическую галактику (https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/2200.html) МВ3. В результате гравитационного взаимодействия Dwingeloo 1 изуродовала когда-то спиральную (скорее всего) форму Dwingeloo 2, а сама обзавелась полутора десятками активных областей звездообразования.
IC 342 - удаленная на 11 миллионов световых лет спиральная галактика, размером, промежуточным между нашей Галактикой и галактикой Треугольника. Имеет десяток небольших спутников, среди которых - известная неправильная галактика NGC 1569 (помните https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/31923.html?). Эта небольшая (меньше Малого Магелланова облака) галактика имеет две независимых области мощного звездообразования (звездных суперкластера, https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/54495.html), так что темп образования звезд в ней в сотню раз превосходит темп звездообразования нашей Галактики, превосходящей ее размерами более, чем на три порядка. Фактически, прямо на наших глазах в маленькой галактике происходит редчайшее для нынешних времен (и обычное каких-нибудь десять-двенадцать миллиардов лет назад) явление - формирование больших шаровых звездных скоплений, причем, сразу двух. Длится это процесс не более ста миллионов лет, и через несколько десятков миллионов лет прекратится - газ закончится, и звездам образовываться будет не из чего.
Что спровоцировало вспышку звездообразования в NGC 1569 - не совсем понятно и сейчас активно изучается.

Вопрос читателям

У одного типа гигантских галактик металличность в среднем растет с увеличением размера самой галактики.
У другого типа - наоборот: чем больше сама галактика, тем, в среднем, меньше ее металличность.

Вопрос к тем, кто читает этот блог: какие галактики, как правило, больше по размерам - первого типа или второго?

Впору задуматься... (или отчего в галактиках заводятся звезды)

И в самом деле - если подумать, не всегда понятно, отчего в галактиках, особенно, в больших, вообще заводятся звезды.
Мы хорошо знаем, как большие галактики с этой напастью борются.
В принципе, есть один очень эфективный способ, который успешно освоили гигантские эллиптические галактики (хотя вовсе не только они) - завести в своем центре квазар.
Я не раз рассказывал о комплексном механизме действия этого средства борьбы со звездообразованием:
- с одной стороны, квазар поглощает свободный газ, необходимый для звездообразования;
- с другой стороны, его джеты выбрасывают из галактики непоглощенный газ, дополнительно снижая количество материала для новых звезд;
- с третьей стороны, они нагревают те скудные остатки галактического газа, которые не сумели выбросить, а горячий газ не может конденсироваться в звезды (говоря научным языком, условием конденсации газа является превышение потенциальной гравитационной энергии в единице его объема над его тепловой энергией);
- с четвертой стороны, они нагревают (причем, в первую очередь, акустическими волнами) межгалактический газ в окрестностях галактики, препятствуя его аккреции на галактику или, если уж он попадает на галактическую периферию, конденсации в звезды;
- с пятой стороны, наконец, гигантский аккреционный диск вокруг черной дыры еще и излучает высокоэнергетические потоки вещества и фотонов (галактические ветры), не только нагревающие галактический газ, но и "выдувающие" его из галактики.
PS См. также шестой способ: https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/120289.html.

Но этот способ хорош для галактик с активным ядром (https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/19231.html), и чем более активно ядро галактики, тем он эффективнее, поэтому в основном этот механизм действует в гигантских эллиптических галактиках с присущими им колоссальными центральными черными дырами и сверхактивными ядрами (квазарами и лацертидами) - недаром в таких галактиках уже давно практически отсутствует звездообразование, отчего они являются красными (нет голубых массивных короткоживущих звезд).
А как быть спокойным галактикам (ядро которых вовсе не является активным)?
Об универсальном способе борьбы со звездообразованием, пригодном для всех, я косвенно рассказывал. В принципе, он может быть описан одной фразой: "Стиснуть зубы и немного потерпеть". Бурная (а иногда, очень бурная) вспышка звездообразования длится очень недолго - от силы, 0,5 - 1 млрд. лет, то есть, в сущности, заканчивается почти мгновенно. И основной причиной ее прекращения является даже не исчерпание газа, пригодного для звездообразования, который расходуется на материал для новых звезд, а все те же галактические ветры - только в этом случае они порождаются уже не аккреционными дисками, а многочисленными сверхновыми (я об этом тоже рассказывал: во время вспышки звездообразования рождается много массивных короткоживущих звезд, которые через считанные миллионы или десятки миллионов лет взрываются сверхновыми или даже гиперновыми, а эти взрывы не только нагревают газ, препятствуя его конденсации в звезды, но и постепенно выдувают его из галактики). Таким образом, казалось бы, после прекращения вспышки звездообразования дальше звезды образовываться не будут.
Но не тут-то было. Галактики с прекратившимся (а вернее, прерванным, shut down star formation) звездообразованием должны помнить, что это - не навсегда. Если активного ядра нет (или оно было, но потом его активность прекратилась, что подчас случается за считанные годы), то рано или поздно (точнее, через три-пять миллиардов лет) звездообразование может возобновиться, правда, уже не в прежнем темпе. Причин несколько: во-первых, межгалактический газ продолжает аккрецировать на галактику, некоторая, а подчас, значительная его часть остывает и может достичь температур, при которых начнется конденсация его в звезды; во-вторых, газ поступает в межзвездное пространство с поверхности уже существующих звезд (непрерывно, при вспышках, а то и при взрывах сверхновых, к примеру, типа Ia (https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/5401.html); кроме этого, не будем забывать возможное поступление газа при мокрых или влажных мерджингах https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/3161.html).
Казалось бы, из всего сказанного следует простой вывод: если галактике не довелось обзавестись активным ядром или его активность некогда снизилась, в ней рано или поздно должно возобновиться звездообразование, пусть и не бурное, но все же имеющее более или менее заметный темп.
В общем, так просто от этой напасти, казалось бы, не избавишься.

Ан нет... не тут то было...
Обнаруживается, что подчас даже спокойное галактическое ядро низкой светимости может генерировать галактические ветры, интенсивность которых, хотя и недостаточна для "выдувания" газа из галактики, но достаточно велика для того, чтобы нагреть его до энергии, при которой звездообразование оказывается невозможным.
Причем таких спокойных галактик со звездообразованием, подавленным галактическими ветрами, излучаемыми ядром низкой светимости, оказывается удивительно много - по оценкам, около 10% от всего количества разнообразных больших (массой видимого вещества, без учета составляющей их основную массу темной материи, свыше 20 миллиардов солнечных масс) галактик.
Еще более удивительно - пока наблюдательными способами понять, чем эти спокойные галактики с подавленным звездообразованием отличаются от других спокойных галактик, в которых звездообразование вполне успешно продолжается (к примеру, от нашей Галактики или галактики Андромеды) не получается. В сущности, по результатам изучения стоит задуматься над более общим вопросом - отчего вообще не во всех гигантских галактиках подавляется звездообразование.

Кстати, о прерванном звездообразовании

Только что в предыдущем посте https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/66171.html я рассказывал о прерванном звездообразовании, shut down star formation. Если в галактике однажды прерывается звездообразование, но при этом отсутствуют фатокры, ему препятствующие, то рано или поздно (правда, не слишком быстро, через несколько миллиардов лет) оно может возобновиться, правда, уже не в прежнем темпе. Причин несколько: продолжающая аккреция газа на галактику с его остыванием и последующей конденсацией в звезды; повышение концентрации газа за счет звездного ветра и взрывов звезд; мокрые и влажные мерджинги.
А вот пример:

Это - неправильная (иногда относимая к классу dSph - карликовых сферических, https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/2388.html) галактика UGC 4879, она же VV124.
Галактика очень невелика (масса видимого вещества около восьми миллионов солнечных, темной материи - раз в двадцать больше).
Обладает двумя интересными особенностями. Первая - то, что живет она достаточно одиноко: в нашей Местной группе, но на расстоянии 2,3 миллиона световых лет от ближайшей к ней галактики, и можно считать, что в течение последних миллиардов лет она была изолирована от любого взаимодействия.
Вторая - то, что звездообразование в ней прекратилось девять миллиардов лет назад. А затем вновь началось - недавно, не более миллиарда лет назад. Собственно, очень наглядный пример этого самого shut down star formation, прерванного звездообразования. И интересно в этом - что даже крошечная изолированная галактика за восемь миллиардов лет сумела набрать материал для возобновления звездообразования из межгалактической среды, причем за это время не только галактика успела захватить достаточное количество газа, но и захваченный газ в свою очередь успел в достаточной степени остыть.

И еще о прерванном звездообразовании

Казалось бы, кому возобновление давно, много миллиардов лет угасшего звездообразования уж никак не грозит - так это гигантским эллиптическим галактикам.
Как ему возобновиться, если они содержат колоссальные черные дыры, активно поглощающие газ и прерывающие звездообразование одновременно пятью различными способами (https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/66171.html)?
Однако же, давайте задумаемся...

Крупнейшие известные черные дыры имеют массу около сорока миллиардов солнечных.
Расчеты показывают, что у черных дыр массой свыше 50 - 270 миллиардов солнечных масс (в зависимости от скорости собственного вращения, строго же говоря - от момента) уже невозможны устойчивые аккреционные диски - их внутренний край проходит так далеко от черной дыры, что в них успевает остыть материал и начнется его (диска) конденсация в звезды. Ну, а затем эти звезды просто разрушают аккреционный диск - в основном, "расхватывая" его материал на собственное формирование, а незахваченное вещество еще и частично выбрасывая из диска своей гравитацией.
Это, конечно, не означает, что черные дыры больших, чем указанные, масс теоретически невозможны - есть на свете еще и захват звезд, облаков газа и прочих заблудших жертв, и падение затормозившихся (в частности, за счет динамического трения, см здесь https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/1661.html) объектов - да и слияние черных дыр при мерджингах https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/3161.html, в конце концов, никто не отменял. Но результат интересный - закономерному и непрерывному росту черной дыры за счет захвата материала аккреционного диска рано или поздно будет положен предел - дальше она будет пробавляться лишь эпизодическими (хоть и, возможно, крупными) пополнениями.
Особенно интересно то, что грандиозные джеты квазаров (вернее, в этом случае, уже блазаров (лацертид) https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/19231.html) порождаются именно таким механизмом, постоянным захватом черной дырой аккрецирующего материала из диска, пополняемого извне. А это означает, что рано или поздно (по мере роста черной дыры) активности ядра галактики будет положен предел. Со всеми вытекающими последствиями - вплоть до возобновления звездообразования в колоссальных эллиптических галактиках. Так что чем черт не шутит - мы еще сможем увидеть небо в алмазах голубоватые сверхгигантские эллиптические галактики с темпом звездообразования, сравнимым со спиральными - словно восемь-десять-двенадцать миллиардов лет назад...
Правда, что интересно, судя по всему, не каждая гигантская галактика до этого дорастет - и ни одна из известных нам галактик, вернее, их черных дыр, судя по всему, до этой стадии еще не развилась.

Кстати, недавно подсчитали... Как правило, масса металлов в пространстве (напомню: металлы - это не то, что Вы полумали, а любые элементы кроме водорода и гелия), окружающем гигантские эллиптические галактики классов от gE до cD (https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/2388.html) превосходит массу металлов, сосредоточенных в самой галактике. "Предсказуемо" (с) - но результат интересен.

Сколько их? Куда их гонит?

Сразу оговорюсь: ответ на второй вопрос достаточно очевиден - куда более интересен первый.

О том, что в межзвездном пространстве подчас могут находиться не только газ и пылевые частицы, но и целые планеты, я не раз говорил. И даже напоминал, что планетами эти находящиеся называть некорректно - ибо с формальной точки зрения https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/11421.html тела, блуждающие меж звезд, планетами не являются, потому что не имеют самостоятельной орбиты, расположенной вокруг звезды.
При этом, напоминаю, данный формализм достаточно разумно обоснован - и поэтому такие тела осторожно называют планемо.
Достаточно интересен вопрос о том, сколько их, этих планемо, в межзвездном пространстве. А вдруг окажется, что галактики буквально забиты этими самыми бродячими планетами, вернее, планемо, составляющими их основную массу, и именно планемо формируют темную материю, определяющую динамику галактик и многократно превосходящую по массе материю видимую? Кстати, идея вовсе не абсурдна - ее в свое время разрабатывали достаточно серьезно.
Казалось бы, сказать что-то в данном случае достаточно сложно: звезды светятся, их видно издалека, можно взять их и пересчитать, при должном терпении и настойчивости составить карты расположения и оценить суммарную массу - а планемо не видно, они себя излучением не проявляют, и если между нами и ближайшей звездой их затаился целый миллиард, мы об этом, вроде бы, не знаем.
Однако на помощь приходит гравитационное линзирование https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/21298.html. Если находящаяся где-нибудь в пространстве планемо оказывается между нами и какой-нибудь звездой, ее гравитация исказит свет от звезды, может его усилить - и таким образом планемо себя проявит (такое событие называется микролинзированием, см. там же). Я писал об этом - именно микролинзирование позволило однажды наблюдать планету, удаленную на 3,7 миллиарда световых лет.
Если внимательно понаблюдать за событиями микролинзирования, то, зная расстояния до линзируемых звезд, можно оценить, сколько таких бесхозных объектов бродит в пространстве между нами и ими.
И вот в августе 2017 г. такая работа была в очередной раз проделана. Проанализировав 2617 событий микролинзирования, зафиксированных за пять лет (в процессе наблюдений регистрировалась яркость пятидесяти миллионов звезд, расположенных в направлении центра Млечного пути, и вариации яркости каждой из них), удалось установить, что количество свободных планемо массой, равной или большей массы Юпитера, в Галактике уступает количеству звезд минимум в пять раз (скорее же всего - раз в двадцать).
С одной стороны, это немало - свободные планемо оказались достаточно распространенным видом населения галактик. С другой стороны, это намного меньше, чем верхние оценки их количества, которые раньше приводились в некоторых теориях - и уж в любом случае, ясно, что существенного вклада в скрытую массу и в состав темной материи планемо не вносят.
С другой стороны, одним из результатов исследования явилось подозрение (для его подтверждения требуется продолжение наблюдений и серьезное увеличение статистики), что количество свободных планемо с массой, сравнимой с земной (в том числе, миниземель и суперземель https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/10070.html) в Галактике может существенно, в несколько раз превосходить количество звезд в ней. Если так - то заметной добавки к в общей массе планемо это не составит, но интересный штрих в картину окружающего нас мира добавит. Заодно прибавит нам знаний процесса формирования планетных систем.

Интересное - Dragonfly 44

На фотографии - галактика Dragonfly 44. Расстояние до галактики - около 330 миллионов световых лет. Масса - примерно триллион солнечных (близка к массе Млечного пути, хотя и уступает ей). Диаметр - 60 тысяч световых лет (заметно меньше диаметра диска нашей Галактики). Светимость - менее 1% светимости Млечного пути.

Галактика очень интересна. Во-первых, ее основной видимый компонент - это старые шаровые скопления числом около сотни, населенные, как и положено, древними звездами второго типа населения (второго поколения, https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/5020.html). Отдельных звезд, не входящих в шаровые скопления, в ней практически нет.
Но самое главное - этих звезд в галактике около миллиарда. Всего лишь. На два с половиной порядка меньше, чем в нашей Галактике (при сравнимой массе галактик!).
Все правильно. Галактика Dragonfly 44 примерно на 99,99% состоит из темной материи, а видимого вещества (барионной материи) в ней - около 0,01%.

И вот теперь задумаемся.
То, что галактики - это скопления вовсе не звезд, а темной материи, а наличие большого количества звезд в них - это вторичный и вовсе не обязательный эффект, я не раз рассказывал.
Про один из механизмов возникновения скоплений темной материи, в которых позже могла концентрироваться значительно уступающая ей количеством материя видимая (барионная) я тоже рассказывал - https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/63661.html. Темная материя могла сжиматься, формируя уплотнения под действием собственной гравитации, еще в те времена, когда видимой материи мешало это сделать излучение - этот процесс мог начаться спустя всего лишь 75 тысяч лет после рождения Вселенной, а барионная материя в эти времена была еще слишком горячей для того, чтобы в ней появлялись заметные сгущения (этот процесс стал возможным только после ее достаточного остывания, в момент отделения вещества от излучения и появления реликтового фона, когда Вселенной было уже 380 тысяч лет). Так что в темных галактиках с минимальным количеством звезд (а то и без оных) нет ничего особенно загадочного - если не считать вопроса о том, почему, в силу каких процессов при формировании данной галактики ей не досталось барионного вещества, куда оно делось или кто его забрал.

А вот то, что та скудная толика барионного вещества, которая есть в Dragonfly 44, практически полностью представлена шаровыми скоплениями - это интересно. По крайней мере, потому что происхождение и история формирования шаровых скоплений является не слишком понятной, и тот факт, что в Dragonfly 44 ее видимая материя некогда сконцентрировалась (за весьма короткий срок) именно таким образом, косвенно подтверждает традиционный взгляд на механизм их образования - из звезд второго поколения, образовывавшихся в больших плотных скоплениях газа. Впрочем, в свою очередь, происхождение этих самых больших плотных скоплений не до конца понятно - есть много интересных вариантов.

Пути в зеленую долину...

Напомню Вам - между голубым облаком и красной последовательностью лежит зеленая долина.
https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/2565.html
И обитают в ней немногие обитатели разнообразного происхождения.
https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/51825.html, https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/67791.html

А вот как в нее попасть - я еще не рассказывал.
Ведут в зеленую долину два пути.
Первый из них прост и открыт для всех: подняться в зеленую долину из голубого облака. Все мы там будем. На пажитях злачных, у вод тихих.
Второй путь редок и не каждому доступен - спуститься в зеленую долину из красной последовательности. А сделать это можно только одним способом - большим влажным или малым мокрым мерджингом https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/3161.html.

Кто водится в зеленой долине

Этот пост навеян предыдущим постом и фразой из одной давнишней статьи:
"Одинокие гигантские эллипсы могут надолго задержаться в зеленой долине".
Ну, да. Именно так. В зеленой долине коротают век именно редко встречающиеся одинокие гигантские эллиптические галактики поля https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/2002.html
( Read more... )

Но зеленая долина - это приют отшельников только для эллипсов. Со спиральными галактиками обычно все обстоит наоборот - в наше время они попадают в зеленую долину, как правило, только если составляют очень тесный коллектив (являются галактиками очень богатого скопления). Остальные спирали пока еще живут в голубом облаке.

И если подумать, причина вполне ясна.

Опять стало ясным, почему мы появились на свет так поздно...

Вам не встречались рассуждения о том, что во Вселенной должны существовать суперцивилизации, которые старше нас на миллиарды лет?
Если встречались, то давайте подумаем над интересным фактом: девять миллиардов лет назад концентрация угарного газа в дисковидных галактиках, аналогичных нашей Галактике в ее юные времена, превосходила нынешнюю его концентрацию в Млечном пути на три порядка.
Надеюсь, все понимают, почему жизни трудно зародиться и выжить при такой концентрации угарного газа (вопрос не риторический!)?

Если не понимают, то сейчас наберу полную грудь воздуха и объясню:
( Ответ, данный на едином выдохе )

Знаете ли Вы, что... (о звездах и органических веществах)

Не все знают, что органические вещества, как ни странно, могут образовываться на поверхности звезд.
Не любых звезд, разумеется, а остывающих холодных красных сверхгигантов - тех самых колоссов максимального для звезд диаметра.

За время своей жизни такая звезда производит достаточно много углерода, кислорода, азота и других металлов, которые конвективными процессами выносятся из ее глубинных областей, в которых они образуются при термоядерных реакциях, на поверхность. Когда звезда начинает расширяться, а ее поверхностная температура падать, на ее относительно холодной поверхности (температура которой может быть менее 2000 градусов) начинают идти химические реакции. Они подчас могут приводить к затемнению поверхности "сажей" из образующихся молекул, которые постепенно выдуваются из атмосферы звезды, формируя межзвездную пыль.
На поверхности таких звезд находили и муравьиную кислоту, и метиловый спирт, и даже этиловый (да, да. Именно этиловый. Не подадим руки этим звездам!) и ароматические углеводороды. Вообще, находили и более сложные молекулы, содержащие до восьми атомов углерода.
Так что, теоретически, исходные материалы для начала процесса развития жизни на планете могут появляться задолго до формирования самой планеты - еще тогда, когда никакого взрыва сверхновой, материал которой пойдет в будущем на формирование планетной системы, еще не произошло.

Интересное - о крупнейших звездах

На заключительной стадии своего существования, когда в центральных областях звезды окончательно "выгорает" ядерное топливо, термодерная реакция начинается в примыкающих к нему слоях. В результате самые глубинные слои звезды перестают излучать энергию и начинают напоминать белый карлик, над которым в толще звездного вещества идут ядерные реакции.
Постепенно "выгоревший" центр растет, реакции распространяются все выше и выше, и звезда начинает расти в размерах. Ее поверхность увеличивается, а доля энергии, приходящаяся на единицу поверхности - уменьшается, и температура поверхности начинает падать. В результате максимум излучения звезды начинает смещаться в сторону красного цвета, соответствующего более низкой температуре. Даже самые горячие звезды спектрального класса О, голубые, с температурой поверхности более сорока тысяч градусов, начинают белеть, желтеть (температура 6000 градусов), потом становятся оранжевыми (температура 4000 градусов) и, наконец, красными. У многих звезд в конце жизни максимум излучения приходится на инфракрасную область, а температура поверхности падает до величин менее тысячи градусов.
Таким образом из обычных звезд типа Солнца в конце жизни формируются раздувшиеся красные гиганты, а из гигантских звезд - красные сверхгиганты. По размерам это - самые крупные звезды. Когда у крупных звезд в этой стадии масса "выгоревшего" и сжимающегося ядра превзойдет предел устойчивости - произойдет взрыв сверхновой звезды.
Но особенно удивительными являются звезды, представляющие собой последнюю стадию существования самых крупных и массивных звезд - гипергигантов. Их размеры оказываются потрясающими - в полторы и более тысяч раз больше диаметра Солнца.
Пример такой звезды - находящийся в полутора тысячах парсек от Солнца красный гипергигант VY Большого Пса. Имея массу примерно в сорок раз больше Солнечной, этот монстр превосходит Солнце по диаметру почти в 1800 раз. Точнее, диаметр гипергиганта составляет около 2,5 миллиарда километров, и он имеет размер орбиты Сатурна.
Соответственно, средняя плотность звезды шокирует - менее 0,00001 килограмма на кубометр, что является неплохим показателем для современных вакуумных насосов.
Тускло-красное чудовище немыслимых размеров имеет неплохую светимость - она превосходит солнечную в пятьсот тысяч раз.

Вот так и выглядят те самые RSG с диаграммы Герцшпрунга-Рассела https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/4191.html

И картинка для наглядности - Солнце рядом с красным гипергигантом.

Пистолет

На фотографии (инфракрасной) - расположенная недалеко от центра Галактики на расстоянии 25000 световых лет от нас звезда с романтическим названием Пистолет, окруженная туманностью того же имени.

Находится она недалеко от центра Млечного пути в молодом плотном рассеянном звездном скоплении Квинтуплет. Упоминал я ее здесь: https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/47893.html
Название звезда получила за форму туманности - правда, лично я видел (и не раз) другие пистолеты и хочу сказать: они не только куда меньше, но вовсе на эту туманность не похожи.
Может, конечно, мне пока попадались в жизни какие-то неудачные пистолеты. Или я на них неправильно смотрел. Или неправильно держал.

Звезда Пистолет - гипергигант, массой 120-150 масс Солнца. Туманность образована несколько тысяч лет назад сброшенной оболочкой звезды, весит около десяти солнечных масс и подобна туманности Гомункулюс вокруг знаменитой η Киля (Форамена) https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/11044.html
По светимости Пистолет уступает η Киля - ее светимость превышает Солнечную всего лишь в 1700000 раз. Так что на то, чтобы излучить столько же энергии, сколько Солнце излучает за год, Пистолет тратит целых двадцать секунд.
Звезда прожила примерно половину жизни (около двух миллионов лет) и по истечении своего жизненного срока взорвется как гиперновая.

Регул

Регул - альфа Льва - является достаточно известной звездой.
Он находится на расстоянии 77,5 световых лет от нас и имеет массу в 3,5 масс Солнца. Вернее, эту массу имеет то, что мы видим, потому что Регул как таковой - тройная система. В шести триллионах километрах от главного компаньона Регула, относящегося к спектральному классу В7V, вращается двойная звезда - невидимые глазу карликовые компаньоны массами 0,8 и 0,3 солнечных, которые вместе совершают оборот вокруг Регула за сто тридцать тысяч лет. Друг от друга компаньоны находятся на расстоянии около 15 миллиарда километров, и период их взаимного обращения - около двух тысяч лет.
Светимость системы - 350 солнечных (при этом двух малых компаньонов - 0,31 солнечной).
Система молода - ей около пятидесяти миллионов лет.
Регул А интересен тем, что он весьма быстро вращается - у этого гиганта период обращения в полтора раза меньше земного (15,9 часа при экваториальном радиусе, в четыре раза превосходящем солнечный). Если бы он вращался всего на 15% быстрее, его бы просто разорвало. Но и того, что есть, хватает для очень интересного эффекта - звезда является эллипсоидом и ее полярный радиус на треть меньше экваториального. В результате полюса звезды оказываются более горячими (почти в полтора раза) и более яркими (в пять раз), чем ее экватор. Экваториальная температура Регула около десяти тысяч градусов Цельсия, полярная - пятнадцать тысяч. Мы видим Регул почти с экватора - а если бы видели с полюса, он был бы ярчайшей звездой звездного неба.

Полярная звезда

О цефеидах я рассказывал здесь: https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/6900.html
И упоминал при этом, что ближайшей и, безусловно, самой известной цефеидой является Полярная звезда. Она является слабопеременной, причем за последний век ее яркость выросла на 15%, а амплитуда пульсаций снизилась.

Интересно (и не всем известно) то, что Полярная звезда (как и Регул из предыдущего поста https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/68973.html) является тройной звездной системой. Сама цефеида - это сверхгигант Поларис А, светимостью в 2000 раз большей солнечной и массой 5,4 солнечных масс, вокруг которой обращается компаньон Поларис В (масса - 1,39 солнечных).

Расстояние между компонентами - 2400 астрономических единиц (https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/7165.html), период обращения - около ста тысяч лет.

На расстоянии 18,5 астрономических единиц от основного компонента находится третий компонент с периодом обращения примерно 30 лет и массой 1,26 солнечных.

Кое-что о популяризации

Уже давно я сформулировал для себя одно правило, которое стоит знать каждому, кто читает популяризаторские заметки о научном открытии - причем, вне зависимости от того, о какой науке идет речь - потому что это правило позволяет практически безошибочно распознать, насколько серьезно автор заметки разбирается в материале, и можно ли доверять приведенному им материалу. Правило хорошо тем, что его можно использовать даже в случае, когда Вы в данной области человеческого знания являетесь профаном и не обладаете профессиональными знаниями.
Правило достаточно просто: компетентная и правдивая информация о любом научном достижении всегда содержит ответ на вопрос, в чем его смысл и значение для своей науки. Если же такого ответа в ней не содержится - с большой долей вероятности она написана по рецептам, приведенным в https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/19995.html.

Поясняющий пример. Предположим, Вы прочитали, скажем, заметку (почти наверняка такие Вам попадались) о том, что "британские ученые открыли в Чили гигантскую эллиптическую галактику (следует обозначение). Профессор имярек сказал, что такие галактики являются самыми большими в природе".
Вы можете, конечно, обратиться к специалисту, чтобы он сказал, чего стоит эта информация - и тот Вам объяснит, что эту галактику открыли не какие-то "британские ученые", а очень конкретный британский ученый по фамилии Гершель, и не сейчас - а в XVIII веке, а сама заметка выглядит примерно аналогично заметке о том, что "британские ученые открыли в Кении животное вида Элефас, и профессор имярек заявил, что такие животные являются самыми большими на Земле".
А можете просто задаться вопросом, объясняет ли заметка, что такого интересного в этом открытии - галактик сотни миллиардов, все не переоткрываешь. И обнаружив, что ничего подобного ответу на этот вопрос в заметке не содержится, суньте ее в мусорную корзину и забудьте: это не популяризация, а эксцесс злокачественного журнализма. Популяризация не должна оставлять открытым простейший вопрос: "И что тут особенного?".

А правильная популяризаторская заметка выглядела бы следующим образом: "При исследовании известной галактики (обозначение) в обсерватории ESO в Чили было обнаружено (следует короткий рассказ о том, что именно было у нее обнаружено, например, различие форм и размеров химически и кинематически выраженных ядер). Это открытие является интересным, потому что (следует короткое объяснение, чем оно интересно - например, что ранее считалось, что размеры могут отличаться, а формы - нет), а также, что оно дает науке (хотя бы, в общем виде - "дает новую информацию для изучения эволюции эллиптических галактик" или даже "переворачивает наши представления о процессах внутри галактик этого типа)".