Галактики. Большой путеводитель по Вселенной - Джеймс Гич

Существует два основных эффекта, возникающих по мере того, как центральная черная дыра сбрасывает энергию в окружающую среду, – это нагрев межзвездного газа за счет прохождения ударных волн и ионизирующего излучения и фактическое удаление газа и пыли, когда они уносятся потоками, исходящими из растущей черной дыры (просто посмотрите на эти струи в галактике Центавр А: как они могут не влиять на межзвездную среду, проходя сквозь галактику?). Но каковы последствия? Газ в галактике, который был нагрет за счет инжекции энергии из растущей черной дыры, не способен образовывать новые звезды, потому что не может коллапсировать и формировать плотные протозвездные ядра, необходимые для начала синтеза (для этого нужно потерять эту дополнительную энергию). Или, что еще более драматично, газ полностью удаляется из местной окружающей среды. Итак, рост черной дыры оказывает влияние на рост окружающих звезд и тем самым регулирует рост балджа.

На снимке представлено изображение галактики в центре скопления Персея в рентгеновском излучении. Подобные раковине структуры – признак обратной связи от центральной галактики, вызванной истечениями из центральной сверхмассивной черной дыры, которая активно аккрецирует вещество. Поток отталкивает горячий газ, окружающий галактику и выявляемый в рентгеновском излучении, надувая «пузырьки» и «оболочки», которые распространяются наружу. Этот вид обратной связи регулирует рост массивных галактик, потому что он предотвращает гравитационную аккрецию слишком большого количества газа на центральную галактику, ограничивая тем самым ее звездную массу

По той же причине черная дыра не может поддерживать этот натиск бесконечно: в конце концов она удалит материал, который необходим для роста. Как только черная дыра перестает наращивать свою массу, энергия обратной связи отключается.

Однако через некоторое время окружающий газ начнет охлаждаться и снова падать внутрь (помните: гравитация терпелива и всегда готова к работе). Возможная масса черной дыры и балджа связана с общим резервуаром доступного материала, но взаимодействие роста черной дыры и образования новых звезд, окружающих ее, является формой регулирования, которая, как считается, приводит к наблюдаемой корреляции размеров центральной черной дыры и звездной массы балджа.

Острова в море газа

Механизм обратной связи является очень важной частью нашей нынешней модели роста галактик. Цель компьютерного моделирования, построенного на схемах формирования структуры, – «выращивание» галактик в игрушечных «вселенных». Если в модели не заложен принцип обратной связи, оно приводит к образованию слишком большого количества очень массивных галактик, которых мы не видим в реальности, – то есть когда ничто не противодействует гравитации, галактики становятся слишком большими. Обратная связь обеспечивает естественную модуляцию роста галактики, но это очень сложный процесс, поскольку он включает в себя множество различных астрофизических аспектов, многие из которых все еще довольно плохо изучены. Сегодня много усилий прилагается на то, чтобы пронаблюдать процесс обратной связи в действии. Важны не только черные дыры: любая энергия, которая сбрасывается в межзвездную среду, – будь то детонация сверхновых или звездных ветров и излучение самих звезд – играет роль в процессе обратной связи.

Механизмы обратной связи не просто влияют на скорость роста галактики: они также значимы для распределения и смешивания металлов, образующихся в звездах вокруг межзвездной среды. В некоторых случаях это рассеивание может даже спровоцировать выброс металлов из галактики во внегалактическое пространство. Один из способов увидеть данный процесс в действии – определить далекую галактику, которая находится на небе рядом с еще более далеким квазаром, но не полностью выровнена относительно него. Когда мы берем спектр фонового квазара и исследуем его, то можем найти линии поглощения от металлов из внегалактического пространства, связанные с галактикой переднего плана. Общим элементом является ионизированный магний, обладающий линиями поглощения, которые обнаруживаются в видимой части спектра и поэтому доступны для наблюдения.

Что здесь происходит? Яркий свет далекого квазара, который мы используем в качестве удобной подсветки, прошел через какой-то газ, испускаемый галактикой на переднем плане. Часть света квазара была поглощена, оставив характерный отпечаток на его спектре. Этот пример – прекрасная иллюстрация того, что пространство между галактиками за звездами не пустое, а заполнено, помимо прочего, продуктами звездной эволюции, вытесненными галактическими ветрами. Некоторое количество этой материи может позже упасть обратно в галактику, обогащая диск, так как она заново аккрецируется гравитационным притяжением диска. Другой газ может никогда не вернуться в галактику, если он выбрасывается достаточно быстро и его не захватывает гравитационное притяжение – подобно ракете, достигающей второй космической скорости, чтобы вырваться из гравитации Земли. Я надеюсь, что все это указывает на точку зрения, к которой вы придете, когда дочитаете эту книгу: история эволюции галактики – это история течения газа как внутри галактик, так и во внегалактическом пространстве.

Мы знаем, что в больших масштабах галактики объединены в сеть нитей, групп и скоплений, образующих космическую структуру. Помимо обогащенного газа, окружающего сами галактики (который сначала обрабатывается звездами, а затем выбрасывается в космос), космическая паутина также содержит много газа, который образовался в ходе Большого взрыва, но никогда не формировался и не обрабатывался в галактиках. Температура и плотность этого межгалактического газа варьируются, но он, как правило, довольно горячий по сравнению с «холодным», остывшим в галактических дисках газом. Так что в каком-то смысле галактики – это не островки света, а просто яркие всплески газового океана, как белые барашки на волнах в неспокойном море. В некоторых областях эта межгалактическая среда очевидна, например в скоплениях галактик. Кластеры, представляющие собой гигантские гало темной материи, заполненные галактиками, которые образуют узлы космической сети, погружены в чрезвычайно горячий газ – плазму. Эта плазма возникла, когда первичный межгалактический газ перетекал в гало темной материи и нагревался до миллионов градусов. Точную физику этого нагрева довольно сложно объяснить, но если упростить, то энергия газа в среде кластера увеличивается в соответствии с общим гравитационным потенциалом кластера, определяемым общей массой. Как галактики внутри скоплений разгоняются до высоких скоростей, точно так же ускоряется и газ.

Этот внутрикластерный газ настолько горяч, что испускает рентгеновское излучение. Телескопы, чувствительные к рентгеновским лучам, такие как XMM-Newton и «Чандра», могут обнаруживать это излучение и видят кластеры не как плотные скопления галактик, а как большие яркие пятна рентгеновского излучения на небе. Горячий газ, заполняющий кластер, оказывает довольно существенное влияние на галактики внутри него. Один из самых его печальных эффектов называется «снятие давления поршня» – своего рода галактический эквивалент задувания свечи.