Млечный Путь. Авторы и права: Общественное достояние CC0.
Согласно наиболее общепринятым космологическим моделям, первые галактики начали формироваться между 13 и 14 миллиардами лет назад. В течение следующего миллиарда лет появились знакомые нам космические структуры. К ним относятся такие объекты, как скопления галактик, сверхскопления, галактические нити, а также шаровые скопления, балджи галактик и сверх массивные чёрные дыры.
Однако, подобно живым организмам, галактики продолжают эволюционировать. В сущности, на протяжении всей жизни галактики наращивают и теряют массу. В недавнем исследовании международная группа астрономов рассчитала скорость притока и оттока материи в Млечном Пути. Затем хорошие ребята из astrobytes создали хорошую разбивку и показали, насколько это важно для нашего понимания процессов формирования и эволюции галактик.
Исследования проводилось под руководством астронома ЕКА доктором Эндрю Дж. Фокса и включало членов исследовательской группы по изучению гало Млечного Пути института исследований космоса с помощью космического телескопа (STScl) и нескольких университетов. Основываясь на предшествующих исследованиях, они изучили скорость, с которой газ поступает в Млечный Путь и выходит из него в окружающие высокоскоростные облака (HVC).
Поскольку доступность материала является ключом к звездообразованию в галактиках, знание скорости, на которой добавляется и теряется вещество, важно для понимания того, как галактики изменяются со временем. И как резюмировал Михаил Фоyли из astrobytes, вычисление скорости добавления материала в галактики имеет решающее значение для понимания деталей модели “галактического фонтана”.
В соответствие с этой моделью, наиболее массивные звёзды в галактике производят звёздный ветер, который вытесняет материал из галактического диска. Когда звёзды завершают свой жизненный цикл становясь суперновыми, они точно также выбрасывают большую часть своего материала. Со временем это вещество попадает обратно в диск, обеспечивая материал для образования новых звёзд.
“Эти процессы в совокупности известны как звёздная ‘обратная связь’, и они отвечают за выталкивание газа обратно из Млечного Пути”, – сказал Фоули. – “Другими словами, Млечный Путь не изолированное озеро материи; это резервуар, который постоянно набирает и теряет газ из-за гравитации и звёздной обратной связи”.
Кроме того, недавние исследования показали, что звездообразование может быть тесно связано с размером сверхмассивной чёрной дыры (SMBH) в центре галактики. В основном, сверхмассивные чёрные дыры излучают большое количество энергии, которое нагревает газ и пыль, окружающие ядро, что эффективно препятствует слипанию и гравитационному коллапсу с образованием новых звёзд.
Поток частиц, исходящих из полюса чёрной дыры в центре блазара. Авторы и права: DESY / Science Communication Lab.
Таким образом, скорость, с которой материал поступает в галактику и выходит из неё, является ключом к определению значения скорости звездообразования. Для расчёта скорости, на которой этот процесс происходит в Млечном Пути, доктор Фокс и его коллеги обратились к данным из нескольких источников. Как доктор Фокс написал Universe Today по почте:
“Мы просмотрели данные из архива. НАСА и ЕКА имеют хорошо собранные архивы со всех наблюдений космического телескопа ‘Хаббл’, и мы прошлись по всем наблюдениям фоновых квазаров, которые были получены с помощью спектрографа Cosmic Origins (COS), чувствительного спектрографа на ‘Хаббле’, который можно использовать для анализа ультрафиолетового излучения от удалённых источников. Мы нашли 270 подобных квазаров. Сначала мы использовали эти наблюдения для создания каталога высокоскоростных облаков. Затем мы разработали метод разделения высокоскоростных облаков на прибывающие и убывающие потоки, используя доплеровский сдвиг”.
В добавок последние исследования показывают, что Млечный Путь испытывал период покоя примерно 7 миллиардов лет назад, который продлился около 2 миллиардов лет. Это было результатом ударных волн, из-за которых межзвёздные газовые облака нагрелись, что вызвало остановку притока холодного газа в нашу галактику. Со временем газ охладился и снова стал поступать внутрь, что вызвало новую волну звездообразования.
Изучив все данные, Фокс и его коллеги смогли установить ограничения на скорость притока и оттока газа для нашей галактики:
“После сравнения скоростей притока и оттока газа мы обнаружили избыток поступающего газа, что является хорошей новостью для будущего звездообразования в нашей галактике, поскольку существует много газа, который в последствии может превратиться в звёзды и планеты. Мы измерили приток около 0.5 солнечных масс и отток в 0.16 солнечных масс, так что это чистый приток”.
Однако, как указал Фоули, считается, что высокоскоростные облака существуют всего около 100 миллионов лет или около того. В результате нельзя ожидать, что чистый приток будет продолжаться вечно.
“В конце концов, они игнорировали высокоскоростные облака, которые, как известно, находятся в структурах (таких как пузыри Ферми), которые не отслеживаются в притоке и оттоке газа”, – добавляет он.
С 2010 года астрономам стало известно о таинственных структурах, возникающих из центра нашей галактики, известных как пузыри Ферми. Эти пузыреобразные структуры простираются на тысячи световых лет и предполагается, что они являются результатом поглощения межзвёздного газа сверхмассивной чёрной дырой и излучения ею гамма лучей.
Гигантские пузыри Ферми видны только в гамма-диапазоне. Авторы и права: NASA Goddard.
Однако в то же время результаты дают новое представление о том, как образуются и развиваются галактики. Это так же подкрепляет новую теорию аккреции холодного потока. Теория, предложенная профессором Авишай Декель и его коллегами из Еврейского университета в Иерусалиме для объяснения, как галактики накапливают газ из окружающего пространства во время своего формирования.
“Эти результаты показывают, что галактики подобные Млечному Пути не развиваются постоянно”, – подводит итог доктор Фокс. “Вместо этого они поглощают и теряют газ периодически. Это цикл подъёма и спада: когда поступает газ, может образоваться больше звёзд, но если поступает слишком много газа, это может вызвать взрыв звёзд такой силы, что он сметёт весь оставшийся газ, тем самым прекращая звездообразование. Таким образом баланс между притоком и оттоком регулирует, как много звёзд образуется. Наше новое исследование позволяет пролить свет на этот процесс”.
Другим интересным выводом из этого исследования является тот факт, что то, что верно для Млечного Пути, то верно и для звёздных систем. Например, в нашу Солнечную систему залетают объекты и улетают с течением времени. Объекты как Оумуамуа или более недавнее 2I/Борисова подтверждают, что астероиды и кометы покидают звёздные системы и периодически захватываются другими.
Первый межзвёздный астероид 1I/2017 U1 (Oumuamua) в представлении художника. Авторы и права: Kornmesser / ESO.
Но что насчёт газа и пыли? Теряет или набирает вес наша Солнечная система и (как следствие) планета Земля со временем? И что это может означать для будущего нашей системы и родной планеты? Например, астрофизик и писатель Брайан Коберлейн обратился к последнему вопросу в 2015 году на своем вебсайте. Используя в качестве примера недавний метеорный поток Гиминиды (Близнецов), он написал:
“На самом деле, исходя из наблюдений метеорных следов со спутника, было установлено, что около 100-300 тонн материи ежедневно попадает на Землю. Это добавляет примерно от 30 000 до 100 000 тонн в год. Это может показаться очень большим количеством, но на протяжении миллионов лет это составит меньше одной миллиардной доли процента от общей массы Земли”.
Однако, как он продолжает объяснять, Земля также регулярно теряет массу в результате нескольких процессов. К ним относятся радиоактивный распад вещества в земной коре, который приводит к тому, что энергия и субатомные частицы (альфа, бета и гамма лучи) покидают нашу планету. Вторыми по значимости явлениями являются атмосферные потери, когда такие газы, как водород и гелий, улетают в космос. В совокупности это приводит к потере в 110 000 тонн в год.
На первый взгляд это может показаться чистым убытком в размере около 10 000 тонн ежегодно. Более того, микробиолог и научный коммуникатор доктор Крис Смит и физик Дэйв Анселл из Кембриджа установили в 2012 году, что Земля увеличивает массу на 40 000 тонн космической пыли в год, в то время как теряется 90 000 тонн в год в результате атмосферных и других процессов.
Таким образом вполне возможно, что Земля становится легче примерно на 10 000 — 50 000 тонн ежегодно. Однако скорость, с которой добавляется материя, недостаточно ограничена, поэтому вполне возможно, что мы можем выйти на уровень безубыточности (хотя вероятность того, что Земля набирает массу кажется маловероятным). Для Солнечной системы наблюдается схожая картина. С одной стороны, межзвёздный газ и пыль текут всё время.
Наше Солнце – звезда второй популяции возрастом около пяти миллиардов лет. Она включает в себя элементы, которые тяжелее водорода и гелия, а также кислород, углерод, неон и железо. Авторы и права: NASA / Solar Dynamics Observatory.
С другой стороны, наше Солнце, которое содержит в себе 99,86 % всей массы Солнечной системы, также со временем теряет массу. Используя данные с аппарата “Мессенджер”, команда исследователей из НАСА и МТИ сделали вывод, что Солнце теряет массу из-за солнечного ветра и внутренних процессов. Этот процесс происходит со скоростью 1,3245*1015 тонн в год, несмотря на то, что Солнце одновременно с этим расширяется.
Это ошеломляющее число, но поскольку масса Солнца составляет около 1,9885*1027 тонн, оно не погаснет в ближайшее время. Но по мере того, как оно теряет массу, его гравитационное влияние на Землю и другие планеты будет уменьшаться. Однако к тому времени, когда Солнце достигнет конца своей эволюции в главной последовательности, оно значительно расширится и вполне может полностью поглотить Меркурий, Венеру, Землю и даже Марс.
Так что пока наша галактика может набирать массу в обозримом будущем, Солнце и Земля медленно теряют массу. Это не следует рассматривать как плохую новость, но в долгосрочной перспективе это имеет последствия. В то же временя отрадно знать, что даже самые древние и массивные объекты во Вселенной подвержены изменениям, как живые существа.
Говорим ли мы о планетах, звёздах или галактиках – они рождаются, живут и умирают. И в промежутках они могут набрать или потерять пару килограммов. Круговорот жизни, разыгранный в космическом масштабе!
Источник: universetoday.ru
