Идея о том, что галактики растут и подпитываются веществом за счет облаков холодного газа из гигантской космической паутины, существует уже давно. В последнее время эта идея стала особенно популярной и получила дополнительное подтверждение благодаря модельным расчетам. Моделирование показало, что стоит газовым облакам попасть в гравитационные тиски галактики, как начинается вспышка звездообразования. Однако наблюдать этот процесс довольно трудно. Млечный Путь и большинство галактик, которые мы видим поблизости, заполнены горячим газом, который нагревает захватываемое вещество, не давая ему коллапсировать в звезды. А поскольку сгустки холодного газа в межгалактическом пространстве сами по себе излучают очень мало света, заметить их трудно.
В 2015 году научная группа под руководством Хорхе Санчеса Алмейды из Канарского института астрофизики (о. Тенерифе, Канарские острова) начала изучать небольшие слабые галактики с низким содержанием тяжелых элементов (тяжелее водорода и гелия). Ученые исследовали изменение уровня кислорода в дисках этих галактик. Они обнаружили, что в ярких звездообразующих областях содержится примерно в десять раз меньше кислорода, чем в других. Картина складывается такая, что вновь поступивший газ активизирует процессы звездообразования, причем газ этот должен появиться в галактиках сравнительно недавно. Действительно, если бы газ был старым, он потерял бы свои отличительные химические признаки, перемешавшись за несколько сотен миллионов лет в однородное месиво. Как объяснить, откуда берется «молодой» газ? Возможно, сгустки газа, перетекающие по космической паутине, могли бы объяснить его появление в галактиках, новые процессы активности в них и само существование этих галактик.
Космические ускорители
Первые намеки на существование темной материи появились при исследовании скоплений галактик. Сегодня астрономы внимательно изучают столкновения скоплений галактик, чтобы выяснить природу этого темного вещества.
Считается, что темная материя составляет около 83 % всей материи во Вселенной, но, по-видимому, она взаимодействует с обычным веществом только через гравитацию. Астрономы пытались отказаться от концепции темной материи, изменив законы гравитационного взаимодействия. Но наблюдения столкновения скоплений двух галактик (одна из которых называется Пуля и находится на расстоянии 3,7 миллиарда световых лет) от этих попыток камня на камне не оставили. Дело в том, что обычно темная материя и нормальная материя слишком хорошо перемешаны, и отделить одну от другой не удается. Но при столкновении именно этих двух скоплений входящие в них галактики проскользнули мимо друг друга, оставив за собой хвост горячего взаимодействующего газа. Темная материя, присутствие которой косвенно подтверждается гравитационным взаимодействием, осталась с галактиками. А это говорит о том, что к темной материи надо относиться как к веществу, а не как к дополнению закона гравитации, и что частицы темной материи не отскакивают друг от друга, как обычные атомы и молекулы.
Исследования других галактических катастроф сначала навели астрономов на мысль, что объекты (или нечто) из темной материи могут взаимодействовать с подобными себе объектами с помощью специального агента – силы, действующей только на темную материю. Но в 2015 году были получены дополнительные данные, говорящие об обратном. Рентгеновская обсерватория «Чандра» наблюдала 30 новых столкновений скоплений галактик. Выяснилось, что, когда галактики сталкиваются, темная материя беспрепятственно продолжает свой путь так, будто не подвержена влиянию какой-либо другой темной материи, сколько бы ее ни находилось вокруг. А это значит, что она не взаимодействует с себе подобной. Но это все-таки не исключает наличия трудноуловимой новой силы. Возможно, проанализировав тысячи других сталкивающихся скоплений галактик, астрономы наконец поймут природу темной материи.
Ярко-черная
В пустоте космоса плавает огромное облако холодного газа, неповоротливый черный лоскут на еще более черно-мрачном фоне. Затем, словно из ниоткуда, к нему устремляется тонкая струя материи. Струя врезается в облако, попутно сжимая составляющее его вещество, и вызывает шквал звездообразования, похожий на огненную бурю. Газовое облако перестает быть спящим, оно превращается в настоящую галактику. Может быть, так и рождается галактика – под действием выбросов из сверхмассивной черной дыры?
Загадка черных дыр и их взаимосвязи с галактиками занимала астрономов, начиная с середины 60-х годов XX века – с тех пор, как были открыты квазары. Размеры этих объектов невелики – они могли бы уместиться в пределах Солнечной системы, – а светимость огромна: их энерговыделение в виде света и других форм излучения может в 100 раз превышать полную светимость Млечного Пути. Такой колоссальный выход энергии из крошечного по космическим меркам объекта может давать черная дыра с массой в миллионы или даже миллиарды раз больше солнечной, если она поглощает газ и пыль из окружающего пространства. Вещество собирается в диске вокруг черной дыры и нагревается, испуская яркое излучение, по интенсивности превосходящее другие известные источники. Наряду с квазарами, известны и другие типы активных галактических ядер, такие как радиогалактики и сейфертовские галактики; они светят не так ярко, но тоже отличаются довольно высокой светимостью. Видимо, они также являются результатом активной «подпитки» черных дыр.
Раньше астрономы считали, что сверхмассивные черные дыры встречаются только в таких, довольно редких активных галактиках, – то есть они, конечно, интересны, но вряд ли имеют большое значение для всего огромного космоса. Однако эту точку зрения пришлось пересмотреть, когда выяснилось, что большинство галактик – если не все – содержат сверхмассивные черные дыры. Тот факт, что мы их не замечаем, объясняется недостатком горючего. Именно поэтому в большинстве галактик, и в нашей в том числе, черные дыры дремлют – им просто нечего переваривать.
Существует четкая связь между этими объектами и их родительскими галактиками. В спиральных галактиках есть центральные утолщения, называемые «балджами», состоящие из наиболее старых звезд. Такой балдж обычно примерно в 1000 раз массивнее черной дыры, приютившейся в его сердцевине. Такие же оценки справедливы и для эллиптических галактик, которые по сути являются просто балджами. Масса черной дыры находится в прямо пропорциональной зависимости от массы балджа. Еще одно доказательство существования связи между ними: пик звездообразования и активности квазаров пришелся примерно на одно и то же время, от 8 до 10 миллиардов лет тому назад.
