Откуда астрономы это знают? Дмитрий Вибе. Темная материя и темная энергия Расстояния и возрасты

Дмитрий Вибе: Кому платить за свет знаний Дмитрий Вибе Опубликовано 31 января 2013 годаКоллега Сергей Попов в своём ЖЖ поднял два вопроса относительно организации научно-популярных лекций силами действующих учёных (то, что иногда называется «Трибуной учёного»): имеет ли

16-01-2018

Вам, любители астробиологии. В конце 2017 года в Чили (в Сантьяго и Койайке) Комиссией 3 МАС (Астробиология) были проведены школа по астробиологии и конференция «Astrobiology 2017″. Теперь материалы школы и конференции доступны для просмотра. Смотрите и наслаждайтесь: программа школы со ссылками на видеозаписи, программа конференции со ссылками на видеозаписи.

04-01-2017

В астробиологическом контексте особый интерес представляют механизмы синтеза органических молекул различных видов в протозвёздных оболочках и других объектах, связанных с областями звездообразования. В работе J. Lindberg и др. представлены оценки лучевых концентраций C4H и метанола в направлении на 40 протозвёзд. Из этих протозвёзд шестнадцать объектов в молекулярных облаках из созвездий Змееносца и Южной Короны наблюдались

23-10-2016

Ближайший к нам комплекс молекулярных облаков находится в созвездии Тельца, на расстоянии примерно 140 пк. В силу своей близости эти облака довольно хорошо изучены, в том числе, и с точки зрения их молекулярного состава, который в последние десятилетия стал если не эталоном, то, по крайней мере, «точкой отсчёта» для тестирования астрохимических моделей. Между тем, даже

03-08-2016

Количество планет, открытых при помощи космического телескопа Kepler, исчисляется тысячами. Среди них особый интерес привлекают планеты земного (предположительно) типа, находящиеся в пределах так называемой зоны обитаемости, то есть в диапазоне расстояний от центральной звезды, где возможно существование на поверхности планеты жидкой воды. Определение относительной доли таких планет в их общем числе считается одной из основных

02-08-2016

Молекулярное ядро L1544 в Тельце является одним из «эталонных» дозвёздных ядер, и ему поэтому посвящено очень большое количество исследований. В частности, ядро L1544 считается характерным примером объекта с так называемой химической дифференциацией, то есть специфическими различиями в распределении соединений углерода и азота. В ядрах с химической дифференциацией соединения азота (NH3, N2H+) сосредоточены в центре, тогда

13-07-2016

Международная конференция «Search for life: from early Earth to exoplanets» будет проведена с 12 по 16 июня 2016 года во Вьетнаме. Сайт конференции - http://rencontresduvietnam.org/conferences/2016/search-for-life. Программа конференции охватывает четыре основных темы: образование, эволюция и обитаемость планетных систем; ранняя Земля; от добиологической химии к первой жизни; жизнь во Вселенной - влияние на общество и этические проблемы.

11-06-2016

Manara et al. сообщают в журнале Astronomy & Astrophysics об обнаружении ими корреляции между темпом аккреции в протопланетном диске и массой этого диска. Эта корреляция вытекает из теоретических представлений об эволюции протопланетных дисков, но до сих пор обнаружить её не удавалось. Авторы новой работы рассмотрели практически полную выборку молодых звёзд в области звездообразования Lupus (Волк).

14-05-2016

Существует такое понятие - «кислородная катастрофа». Этим страшноватым термином называют этап в эволюции земной атмосферы, который для нас теперешних был скорее благоприятным. Предполагается, что в ходе кислородной катастрофы примерно 2.4 млрд. лет назад произошло существенное обогащение земной атмосферы молекулярным кислородом. До этого времени воздушная оболочка нашей планеты кислорода практически не содержала. Большинство учёных считает, что

Мы не знаем, конечно, насколько широк диапазон физических условий, в котором возможно зарождение жизни, но зато с определённостью можно сказать, что уж хотя бы на одной конкретной планете у одной конкретной звезды в одной конкретной галактике появление жизни и разума оказалось возможным. Если мы докажем, что такие планеты, звёзды и галактики во Вселенной встречаются часто, возникнет надежда, что не редкость и конечный итог их эволюции, схожий с земным.

До недавнего времени казалось, что в этом отношении со всеми тремя слагаемыми – планета, звезда, галактика – дела обстоят хорошо. По крайней мере, неплохо. Мы, правда, не можем пока с уверенностью судить о том, насколько типична Земля – как планета, попавшая в зону обитаемости своей звезды. Но оснований считать, что она нетипична, нет. Такие основания могут, конечно, появиться в будущем (кто знает?). Однако имеющиеся на сегодняшний день сведения о планетных системах говорят, что их образование – процесс вполне рутинный.

Солнце тоже экзотичностью не отличается. Во многих популярных книгах, да и в учебниках, его часто называют самой обычной, ничем не примечательной звездой. Эта, казалось бы, уничижительная характеристика очень важна с точки зрения эволюции жизни: на протяжении четырёх с половиной миллиардов лет Землю греет спокойно гудящая печка, которая всё это время передаёт нам ровно столько энергии, сколько нужно, без резких спадов и мощных вспышек. Любая особенность, “необычность”, сделала бы Солнце весьма интересным объектом для стороннего исследователя, но для нас, живущих рядом, скучная стабильность лучше увлекательной переменчивости. И таких звёзд “без особых примет”, подобных нашему центральному светилу, в Галактике ещё много.

Такой же уютной и “скучной” оказывается и в целом вся наша Галактика (Млечный Путь). То есть десяток миллиардов лет назад в ней происходили весьма бурные события: именно тогда в результате сжатия вращающегося протогалактического облака возник гигантский звёздно-газовый диск, в котором мы теперь живём и проекция которого на небосвод и называется собственно Млечным Путём. Но после формирования диска ничего “интересного” с нашей Галактикой не происходило. Нет, конечно, в ней по-прежнему есть места, куда небольшой звезде с обитаемыми планетами лучше не соваться. Жёстким излучением заполнены окрестности горячих массивных светил, сильные ударные волны разбегаются от вспышек сверхновых… Но таких опасных мест мало, и шансы, что в одно из них залетит, например, наше Солнце, очень невелики.

Такое спокойствие связано с тем, что процессы звёздообразования в Млечном Пути давно уже приняли “вялотекущий” характер. Сопоставление количества звёзд разных возрастов показывает, что средний темп звёздообразования в нашей Галактике на протяжении последних 10 млрд лет остаётся почти одним и тем же, на уровне нескольких рождающихся звёзд в год. И вот это постоянство может оказаться не то чтобы выходящим из ряда вон, но, по крайней мере, достаточно необычным свойством нашего звёздного острова.

С точки зрения внешнего вида Галактика представляет собой очень тонкий диск (соотношением “толщина-диаметр” сравнимый, например, с компакт-дисками), пересечённый несколькими (двумя или четырьмя) спиральными рукавами. Этот диск погружён в разреженное сферическое звёздное облако – гало. Если ориентироваться только на внешний вид, то таких систем во Вселенной не просто много – их большинство. По современным данным к подобным спиральным дисковым системам относится около 70 процентов всех галактик. Это приятно по двум причинам. Во-первых, типичность Галактики делает маловероятным наше одиночество во Вселенной. Во-вторых, результаты изучения Галактики мы можем спокойно распространять на большую часть остальной Вселенной. Но и это ещё не всё. Благосклонная судьба поместила прямо рядом с нами ещё одну подобную галактику – Туманность Андромеды (она же M31, NGC 224), которая считалась, да и сейчас иногда считается чуть ли не близнецом Млечного Пути. Чего ещё желать? Если нам хочется деталей, смотрим на нашу Галактику, если хочется общей картины, смотрим на Туманность Андромеды – и 70 процентов Вселенной у нас в кармане!

Исследования последних лет показывают, увы, что эта радость преждевременна. Чем больше мы узнаем о Туманности Андромеды, тем меньше она кажется двойником Млечного Пути. Нет, общее сходство, конечно, имеется; М31 гораздо больше похожа на Млечный Путь, чем, скажем, на карликовую галактику Большое Магелланово Облако. Но вот в частностях наблюдаются некоторые важные расхождения. Хотя Галактика и Туманность Андромеды, скорее всего, образовались почти одновременно, М31 выглядит более… как бы это сказать… потрёпанной. Сейчас газа в ней осталось меньше, чем в нашей Галактике; соответственно и рождение звёзд происходит менее активно, но это только сейчас! В диске и гало Туманности Андромеды видны следы многочисленных мощных всплесков звёздообразования, последний из которых произошёл, возможно, всего лишь 200 млн лет назад (незначительное время по сравнению с полным возрастом галактики). Наблюдения звёздных систем показывают, что причиной таких всплесков почти всегда являются столкновения галактик. Значит, история Туманности Андромеды существенно богаче крупными и мелкими катаклизмами, чем история Млечного Пути.

С учётом этой несхожести становится неясно, которую из двух галактик следует брать за эталон. Проблема в том, что никакую другую спиральную галактику мы с подобной степенью детальности исследовать не можем. (Точнее, у нас есть ещё одна спиральная соседка – M33, но она значительно меньше, чем М31 и Млечный Путь.) В 2007 году Франсуа Хаммер (Парижская обсерватория) и его коллеги решили проверить, какие параметры для Млечного Пути и М31 мы получили бы, если бы наблюдали их с большого расстояния, и сравнить эти параметры со свойствами других далёких спиральных галактик. Оказалось, что более типичной системой является отнюдь не Млечный Путь! Из всех окрестных спиральных галактик к нему близки по параметрам не более 7 процентов. Остальные напоминают, скорее, Туманность Андромеды: они бедны газом, более богаты звёздами и обладают большим, чем у Млечного Пути, удельным моментом импульса, то есть, говоря попросту, быстрее вращаются. Для Туманности Андромеды все эти свойства, а также особенности распределения звёзд вокруг диска удаётся объяснить произошедшим несколько миллиардов лет назад крупным столкновением со звёздной системой, масса которой составляла не менее миллиарда солнечных масс (порядка нескольких процентов от массы самой галактики). Сходство М31 с другими спиральными галактиками указывает, что подобные мегастолкновения происходили почти со всеми из них – за исключением небольшой группы, к которой принадлежит Млечный Путь.

Здесь уместно вспомнить ещё об одной странности нашей Галактики – о двух её спутниках, Магеллановых Облаках. Они мало похожи на типичные спутники спиральной галактики. Обычно эти спутники – небольшие и тусклые эллиптические или сфероидальные галактики. Компаньоны наподобие Магеллановых Облаков, массивные, яркие, с собственной бурной историей звёздообразования, наблюдаются также лишь у нескольких процентов спиральных галактик. Возможное объяснение этой странности состоит в том, что Магеллановы Облака могут и не быть спутниками Млечного Пути. Измерение скорости их движения при помощи Космического телескопа им. Хаббла показало, что для спутников, то есть гравитационно привязанных к Галактике тел, они летят слишком быстро. Появилась мысль о том, что Облака, возможно, всего лишь пролетают мимо Млечного Пути.

Возникает, конечно, искушение связать все эти факты в единую картину. В декабре 2010 года Й. Янг и Ф. Хаммер предположили, что Магеллановы Облака прилетели к Млечному Пути из Туманности Андромеды, вырвавшись из неё в результате того самого мегастолкновения. Надо сказать, что траектория Облаков известна пока плохо, но то, что о ней известно, не противоречит гипотезе об их «андромедянском» происхождении.

В целом картина может выглядеть так. Из двух основных галактик Местной группы (так скучно называются Млечный Путь, М31 и окружающие их спутники) лишь одна пережила крупное столкновение. Из вещества, вырванного из М31 в результате этого катаклизма, образовались две галактики поменьше. Они сейчас пролетают мимо Галактики и, возможно, будут захвачены ею, с тем чтобы через несколько миллиардов лет слиться-таки с Млечным Путём, позволив ему, наконец, пережить катастрофу, которая в жизни других подобных систем случилась гораздо раньше.

Так или иначе, последние исследования указывают, что до сих пор эволюция Млечного Пути оказалась существенно более невзрачной, чем эволюция большинства дисковых галактик, что подарило земной жизни несколько миллиардов лет тишины для спокойного развития.

Мир галактик поражает причудливостью форм: от незатейливых прямоугольников до кружева спиральных рукавов. Cтранно, что для обозначения столь разных объектов используется одно и то же слово.
Среди прочих астрономических новостей последнего времени видное место принадлежит прямоугольной галактике. Система сама по себе необычная, но не особенно. У галактик различных типов «ящикообразные» (boxy) изофоты (линии равной поверхностной яркости) встречаются не так уж редко. Считается, что подобная угловатость возникает в результате слияния галактик, а эти события во Вселенной не исключение, а, скорее, правило (хотя в пресс-релизе и присутствует в мягкой форме традиционное «shouldn’t exist»). Так что, если галактике LEDA 074886 и присуща некоторая уникальность, то заключается она не столько в её форме, сколько в сочетании формы с другими свойствами, в частности с наличием внутреннего звёздного диска.

Но интересно другое: галактика «изумрудной огранки» по виду и прочим характеристикам даже близко не напоминает гигантскую спиральную звёздную систему, которая дала жизнь термину «галактика». Строго говоря, изначально слово «галактика» вообще было не термином, а именем собственным, обозначавшим шикарную белёсую полосу, которая перечёркивает всё звёздное небо. Греческая мифология связывает её происхождение с молоком, брызнувшим из груди богини Геры во время попытки кормления Геракла, и слово «галактика» родственно, например, словам «лактоза» или «лактация».

Со времён Галилея известно, что Галактика есть «эклиптика для звёзд», то есть проекция на небосвод гигантской плоской звёздной системы, членом которой является Солнце. Мысль о том, что таких «звёздных островов» во Вселенной должно быть множество, посещала умы на протяжении столетий, но научный фундамент под ней появился лишь в начале XX века, когда удалось различить в Туманности Андромеды отдельные звёзды. По ним было определено расстояние до Туманности Андромеды, и оно заведомо превысило самые смелые оценки размеров Галактики. К середине 1920-х годов была доказана внегалактическая природа и многих других туманностей.

Первоначально они так и назывались — внегалактические туманности. Со временем для них стал повсеместно использоваться термин «галактики», с тем отличием, что наша Галактика пишется с большой буквы, а остальные - с маленькой. Галактики казались естественной следующей ступенью иерархии самогравитирующих систем: одиночные и кратные звёзды, рассеянные звёздные скопления (сотни и тысячи звёзд), шаровые звёздные скопления (сотни тысяч звёзд), галактики (миллиарды звёзд), и далее, к группам и скоплениям галактик.

Со временем наблюдательные инструменты и методики совершенствовались, что позволило открывать всё более мелкие и (или) тусклые галактики. Появилось множество классов карликовых галактик - эллиптические карлики, сфероидальные карлики, синие компактные карлики, неправильные карлики, ультракомпактные карлики, приливные карлики… Похоже на классификацию драконов из «31 июня» Пристли: мечехвостый, копьехвостый, рогохвостый, рыбохвостый, свирепый исполинский винтохвостый…

С позиций классификации важно, что чем мощнее наши телескопы, тем сильнее население карликовых галактик перекрывается с населением шаровых скоплений. И тем очевиднее встаёт вопрос несовершенства терминологии, подобный тому, что в начале 2000-х годов встал перед людьми, желающими корректно использовать термин «планета».

Конечно, проблема с галактиками не такая животрепещущая, как проблема с планетами. Одно дело - решать, восемь или девять планет в Солнечной системе. Другое дело — галактики, которых, хоть так их определи, хоть эдак, всё равно неисчислимое множество. Тем не менее галактика — один из фундаментальных объектов Вселенной, и понимание того, что мы, оказывается, не можем толком сказать, что это такое, приводит к некоторому дискомфорту. В результате в астрономической литературе нет-нет да и появятся рассуждения на эту тему.

Последнее опубликовано в архиве препринтов в середине марта. Авторы — Бет Уиллман и Джей Стрейдер — считают, что в определении галактики важно уйти от каких-то численных ограничений. Потому что как только ты решишь называть галактикой всё, что имеет диаметр больше, скажем, ста парсеков, как тут же открывают нечто меньшего размера, что тоже, вроде бы, должно относиться к галактикам. Уиллман и Стрейдер предлагают такое определение: галактикой называется гравитационно связанная группа звёзд, свойства которой не могут быть описаны сочетанием барионного вещества и ньютоновской гравитации.

Казалось бы, с первой частью всё относительно понятно. Настоящая галактика состоит из звёзд, которые удерживаются от разлёта силами тяготения. Тут, правда, есть потенциальные эволюционные шероховатости. Изначально в галактике (в частности, в Галактике) звёзд нет; она состоит только из газа, который постепенно переходит в звёзды в процессе эволюции системы. Стало быть, галактика становится галактикой не сразу, а постепенно. Но на это, в конце концов, можно закрыть глаза. Над моментом перехода не-галактики в галактику должны были ломать голову цивилизации, жившие миллиарды лет назад, а сейчас в большинстве галактик доминируют именно звёзды, а не газ.

Со второй частью несколько сложнее. Уиллман и Стрейдеру кажется некорректным отличать галактики от скоплений по наличию тёмного вещества, поскольку его пока никто не видел, поэтому они предлагают более осторожную формулировку. Массу звёздной группировки можно оценить двумя способами — по суммарной светимости звёзд и по скоростям их движения (предполагая, что группировка находится в динамическом равновесии и звёзды движутся по законам ньютоновской гравитации). Первая оценка даёт массу видимого, барионного вещества, вторая — «гравитационную» массу. Если обе оценки примерно совпали, значит, система описывается сочетанием видимых барионов и закона всемирного тяготения и на галактику не тянет.

А вот если гравитационная масса оказалась больше массы видимого вещества, объект следует считать галактикой! Хотя даже сами авторы признают, что во многих случаях этот критерий может оказаться обманчивым. В частности, оценка гравитационной массы справедлива лишь для систем, в которых движение звёзд «устаканилось», пришло в равновесие с собственным гравитационным полем системы. А если система в недалёком прошлом прошла через какой-то катаклизм, о котором мы не знаем, например, испытала тесное сближение или столкновение с другой системой? Звёзды в ней будут двигаться быстрее, чем при равновесии, и оценка гравитационной массы окажется сильно завышенной.

Кроме того, скорости звёзд очень трудно измерить, поэтому иногда предлагается косвенный критерий: наличие звёзд нескольких поколений. В маломассивных скоплениях первый эпизод звёздообразования оказывался и последним, поскольку первые же вспышки сверхновых выбрасывали из скопления остатки газа, не вошедшего в звёзды. В более массивных галактиках часть газа сохранялась после первого эпизода и становилась сырьём для последующих вспышек звёздообразования. По этому критерию в галактики пришлось бы переквалифицировать самое массивное шаровое скопление в нашей Галактике — Омега Центавра. Но его гравитационная масса согласуется с видимой, как положено как раз скоплению!

Ещё одна близкая система, которую по наличию нескольких поколений звёзд следует отнести к галактикам, — Willman 1 (по имени Бет Уиллман). Но какая же это галактика?! Это недоразумение, светимость которого лишь в несколько сотен раз превосходит светимость Солнца. По всей видимости, в данном случае мы наблюдаем не полноценную галактику, а руины, оставшиеся на месте некогда существовавшей «нормальной» галактики. Но нужно ли называть систему галактикой только за то, что в каком-то далёком прошлом она и на самом деле ею была? Пока же получается, что мы одним и тем же термином обозначаем даже не группы, а группки из нескольких тысяч звёзд и системы-монстры, количество звёзд в которых исчисляется триллионами.

Может показаться, что это не такая уж большая проблема. Мы же не мучаемся сомнениями, называя деревом и стометровую секвойю, и саженец яблони. (Правда, даже скромная ромашка и секвойя различаются по массе в меньшее количество раз, чем самая большая и самая маленькая галактика.) Но за поисками корректного определения скрывается не просто желание разложить всё по полочкам, а желание разделить два (или более) кардинально различных пути образования структур во Вселенной.

http://www.computerra.ru/own/wiebe/668671/