"Бурная жизнь" в межгалактическом пространстве.

18.01.2018

При масштабной инвентаризации Вселенной и объектов из которых она состоит в первую очередь обычно подсчитывают галактики. По последним оценкам, в наблюдаемой нами Вселенной их примерно сто миллиардов. Галактики – яркие, красивые, набитые звездами – украшают темные пустые бездны пространства, будто города – ночной пейзаж под крылом самолета. Но насколько на самом деле пусты эти пустые бездны? (Насколько пусты поля и луга между городами?) Если галактики бросаются в глаза и убеждают нас, что все остальное неважно, это не значит, что в пространстве между галактиками не таится много такого, что труднее пронаблюдать. Не исключено, что это даже интереснее или важнее для эволюции Вселенной, чем сами галактики.

Наша собственная спиральная галактика Млечный Путь названа так за то, что и правда похожа на молоко, пролитое на ночное небо, если смотреть на него с Земли невооруженным глазом. Само слово «галактика» происходит от древнегреческого «галактос» – «молоко». Две наши ближайшие соседки-галактики, расстояние до которых меньше 200 тысяч световых лет, маленькие и неправильной формы. Эти космические объекты наблюдал Фернан Магеллан во время своего знаменитого кругосветного путешествия в 1519 году и написал об этом в судовом журнале. В честь великого мореплавателя мы назвали их Большое и Малое Магелланово облако, и видны они в основном в Южном полушарии в виде пары облачков на небе где-то за звездами. Ближайшая галактика больше нашей находится в двух миллионах световых лет от нас, за звездами, составляющими созвездие Андромеды. Эта спиральная галактика, исторически названная Великая туманность Андромеды, несколько массивнее и вдвое ярче Млечного Пути. Примечательно, что во всех этих названиях вовсе не говорится о звездах: Млечный Путь, Магеллановы облака, Туманность Андромеды. Все они были окрещены до изобретения телескопов, поэтому люди не могли разглядеть их в подробностях и не знали, что они состоят из звезд.

Если бы ⁠не телескопы, работающие в различных диапазонах ⁠спектра, мы бы до сих ⁠пор считали, что в космосе между галактиками пусто. Однако при помощи ⁠современных детекторов и современных теорий мы исследовали космические луга и поля и обнаружили ⁠там самые разные «скрытые» объекты: темную материю, карликовые галактики, тусклые голубые ⁠галактики, убегающие из ⁠галактик звезды, в том числе взрывающиеся, вездесущие газовые облака, потрясающие высокоэнергичные частицы разного рода, загадочную квантовую энергию вакуума и раскаленный до миллионов градусов газ, испускающий рентгеновские лучи.

Впечатляющий список: можно сказать, что все самое интересное во Вселенной происходит между галактиками, а не в них самих.

Если тщательно исследовать любой объем пространства, окажется, что карликовых галактик в нем раз в десять больше, чем крупных. Моя первая научно-популярная статья, которую я написал в начале 80-х, называлась «Галактика и семь гномов» и была посвящена миниатюрному семейству, проживающему в ближайших окрестностях Млечного Пути. С тех пор поблизости от нас насчитали уже десятки карликовых галактик. Полнокровные большие галактики содержат сотни миллиардов звезд, а карликовые могут содержать всего-то миллион, а следовательно, зарегистрировать их в сто тысяч раз сложнее. Неудивительно, что мы до сих пор открываем их прямо у себя под носом.

Карликовые галактики, где больше не рождаются звезды, обычно похожи на крошечные скучные пятнышки. Если же в карликовой галактике еще возникают новые звезды, она обязательно будет иметь неправильную форму и, откровенно говоря, выглядеть не слишком привлекательно. У карликовых галактик есть три свойства, мешающие их обнаружить. Во-первых, они очень маленькие, и их легко затмевают соблазнительные спиральные галактики, которые соревнуются за наше внимание. Во-вторых, они тусклые, поэтому не попадают во многие исследования, где рассматриваются объекты с яркостью выше некоторого порога. А в-третьих, у них невысокая плотность звезд, поэтому они плохо видны на фоне свечения ночной атмосферы Земли и других источников. Все это так. Но поскольку карликовых галактик гораздо больше, чем «нормальных», наше определение нормального, пожалуй, стоит пересмотреть.

Большинство известных нам карликовых галактик держатся поблизости от более крупных галактик и вращаются вокруг них по орбите, будто спутники. Оба Магеллановых облака – это часть карликового семейства Млечного Пути. Однако жизнь галактик-спутников трудна и полна опасностей. Почти все компьютерные модели их орбит указывают на медленные изменения, которые в конце концов приведут к тому, что большая галактика сначала растерзает, а потом попросту съест незадачливого карлика.

Галактика Млечный Путь за последний миллиард лет лично участвовала по крайней мере в одном акте каннибализма – она поглотила карликовую галактику, чьи жалкие останки еще заметны в виде потока звезд, вращающегося вокруг галактического центра за звездами созвездия Стрельца. Эта система называется Карликовая эллиптическая галактика в Стрельце, но лучше было бы назвать ее просто Ужин.

В плотных недрах скоплений галактик то и дело сталкиваются две-три, а то и больше крупных галактик, после чего остается титаническая груда обломков: спиральные структуры, искаженные до полной неузнаваемости, свежие очаги звездообразования, порожденные яростными столкновениями газовых облаков, и сотни миллионов звезд, разбросанных во все стороны и только что вырвавшихся из тенет гравитации обеих галактик. Некоторые из этих звезд перегруппируются и образуют скопления неправильной формы, которые можно назвать карликовыми галактиками. Прочие так и остаются дрейфовать. Примерно 10% всех крупных галактик носят следы серьезных гравитационных столкновений с другими крупными галактиками, а среди галактик в составе скоплений эта доля, вероятно, в пять раз больше.

Да уж, настоящая мясорубка. Сколько же галактических ошметков болтается по межгалактическому пространству, особенно в скоплениях? Неизвестно. Измерить это трудно, поскольку одиночные звезды тусклые и по отдельности их не пронаблюдать. Приходится исходить из наблюдений слабого свечения, которое испускают все звезды вместе. В сущности, наблюдения скоплений галактик позволяют зарегистрировать именно такое свечение между галактиками, которое показывает, что бродячих бездомных звезд, возможно, столько же, сколько звезд в самих галактиках.

Подольем масла в огонь: мы обнаружили (не нарочно) более десятка сверхновых, взорвавшихся, как мы полагаем, далеко от своих «родных» галактик. В обычных галактиках на каждую взорвавшуюся звезду приходится от ста тысяч до миллиона звезд, которые не взрываются, поэтому одиночные сверхновые, вероятно, выдают существование целых популяций звезд, которых мы не видим. Сверхновые – это звезды, которые взорвались и разлетелись на мельчайшие кусочки, и при этом их светимость временно (на несколько недель) возросла в миллиард раз, так что их стало видно с другого конца Вселенной. Поскольку десяток бездомных сверхновых – это относительно немного, вероятно, многие из них еще ждут, когда мы их откроем, ведь большинство исследований сверхновых основано на систематических наблюдениях известных галактик, а не пустого пространства.

Скопления галактик – это не просто сумма составляющих их галактик и бродячих звезд. Измерения при помощи рентгеновских телескопов показывают, что пространство внутри скоплений заполнено газом, раскаленным до десятков миллионов градусов. Этот газ такой горячий, что служит мощным источником рентгеновских лучей. Когда богатые газом галактики проходят через этот горячий газ, они лишаются большей части собственного газа, а значит, и способности создавать новые звезды, что объясняет многие наблюдательные особенности таких «ободранных» галактик. Но если подсчитать полную массу раскаленного газа, то в большинстве скоплений она окажется больше совокупной массы всех галактик в скоплении в целых десять раз. Хуже того, скопления погружены в темное вещество, масса которого в десять раз больше массы всех остальных (видимых) компонент. Иными словами, если бы в телескопы было видно не свет, а массу, наши драгоценные галактики в скоплениях показались бы невзрачными точечками в гигантской гравитирующей сфере.

Все остальное пространство вне скоплений населено галактиками, пик расцвета которых давно прошел. Как уже упоминалось, смотреть в дальний космос – все равно что геологу глядеть на слоистые осадочные породы, которые излагают всю историю формирования гор.

Расстояния в космосе так огромны, что свет долетает до нас за миллионы, а то и за миллиарды лет. Когда Вселенная была вдвое моложе, чем сейчас, была широко распространена очень тусклая разновидность очень голубых галактик среднего размера. Мы видим их. Они взывают к нам из далекого прошлого – те самые «далекие-далекие галактики». Голубой цвет – это свечение только что образовавшихся звезд, недолговечных, горячих, массивных и ярких. Галактики тусклые не только потому, что до них так далеко, но и потому, что доля ярких звезд в них невелика. Подобно динозаврам, которые пришли и ушли, и единственные их потомки в наши дни – это птицы, тусклые голубые галактики давно вымерли, но, вероятно, имеют аналог в современной Вселенной. Все ли их звезды выгорели? А вдруг они превратились в невидимые трупы, разбросанные по всей Вселенной? Или эволюционировали и стали привычными нам современными карликовыми галактиками? Или их всех поглотили крупные галактики? Этого мы не знаем, зато можем точно определить их место в космической хронологии.

Если между крупными галактиками в космосе находится так много вещества, можно ожидать, что оно будет отчасти заслонять от нас остальной пейзаж. Это и в самом деле мешает наблюдать самые далекие объекты во Вселенной, например квазары. Квазары – это очень яркие ядра галактик, чей свет, как правило, добирается до наших телескопов, проделав по Вселенной путь в миллиарды лет. Поскольку квазары – необычайно далекие источники света, из них получаются идеальные подопытные кролики для обнаружения всяческого мусора в пространстве между нами.

И в самом деле, если разложить свет квазара на спектральные компоненты, в нем окажется полным-полно следов газовых облаков, через которые свет успел пройти. Все известные нам квазары, в какой бы части неба их ни обнаружили, содержат в своем спектре отпечатки изолированных водородных облаков, разбросанных в пространстве и времени.

Этот уникальный класс межгалактических объектов был обнаружен в восьмидесятые годы ХХ века и до сих пор остается предметом активных исследований. Откуда они взялись? Какова содержащаяся в них масса?

Спектры всех известных квазаров содержат следы водорода, а значит, облака водорода есть во Вселенной повсюду. И, как и ожидалось, чем дальше находится квазар, тем больше водородных облаков накладывают отпечатки на его спектр. Некоторые отпечатки (менее одного процента) – просто следствие того, что луч нашего зрения проходит через газ, содержащийся в обычной спиральной или неправильной галактике. Разумеется, можно ожидать, что по крайней мере некоторые квазары окажутся позади обычных галактик, которые мы не видим, потому что до них слишком далеко. Однако другие объекты, поглощающие свет квазаров, с галактиками не спутаешь.

Однако свет квазаров нередко проходит сквозь области пространства, содержащие чудовищные источники гравитации, отчего видимый облик квазара катастрофически искажается. Обнаружить эти источники зачастую непросто, поскольку они могут состоять из обычного вещества, которое находится слишком далеко от нас и потому очень тусклое, а могут представлять собой скопления темного вещества – например, около центров скоплений галактик. Так или иначе, где масса, там и гравитация.

А где гравитация, там, согласно общей теории относительности Эйнштейна, и искривление пространства. А искривленное пространство вполне может вести себя как обычная стеклянная линза и изменить путь проходящего сквозь него света. И в самом деле, далекие квазары и целые галактики видны нам сквозь «линзу» из-за массивных объектов, оказавшихся на луче зрения земных телескопов. В зависимости от массы такой линзы и искривленной геометрии луча зрения гравитационная линза может увеличивать, искажать и даже расщеплять далекий источник света на несколько изображений – точь-в-точь кривые зеркала в парках развлечений.

Среди самых далеких из известных нам объектов во Вселенной есть даже не квазар, а обычная галактика, чей слабый свет существенно усилен под действием гравитационной линзы, находящейся между нами. Так что, если мы хотим заглянуть туда, куда не позволяют обычные телескопы, нам придется рассчитывать на эти «межгалактические» телескопы – и с их помощью обновлять рекорды дальности.

Межгалактическое пространство – это, конечно, очаровательно, но гулять там вредно для здоровья. Даже если пренебречь тем фактом, что вашему теплому организму придется замерзнуть насмерть, чтобы достичь равновесия с царящей во Вселенной температурой 3 градуса Кельвина (–270 °С). И тем, что клетки вашей крови лопнут, когда вы задохнетесь от отсутствия атмосферного давления. Все это заурядные опасности, не требующие особого внимания. Есть и более экзотические: например, межгалактическое пространство постоянно прошивают высокоэнергичные скоростные заряженные субатомные частицы. Мы зовем их космическими лучами. Самые высокоэнергичные частицы обладают энергией в сто миллионов раз больше, чем можно достичь в самых крупных ускорителях на Земле. Откуда они берутся, остается загадкой, однако большинство из этих заряженных частиц – это протоны, ядра атомов водорода, и движутся они со скоростью 99,9 процента скорости света. Примечательно, что каждая из этих субатомных частиц иногда несет столько энергии, что ее хватит, чтобы забить в лунку мячик для гольфа с любой точки лужайки.

Но самое, пожалуй, экзотическое явление между (и среди) галактик в вакууме пространства-вре- мени – это бурлящий океан виртуальных частиц, пар вещества и антивещества, которые невозможно зарегистрировать, поскольку они постоянно возникают и тут же аннигилируют. Этот поразительный феномен, предсказанный квантовой физикой, назвали «энергией вакуума», и она проявляется в виде направленного наружу давления, противодействующего гравитации, которое прекрасно себя чувствует даже при полном отсутствии вещества. Вероятно, расширение Вселенной – воплощение темной энергии – объясняется именно воздействием энергии вакуума.

Да, в межгалактическом пространстве и вправду происходит самое интересное. И так будет всегда.