Получение четкого изображения
Астрономы могут разглядывать галактики по всей Вселенной, но им трудно заглянуть в центр нашего Млечного Пути. Всего в 26 000 световых лет от Земли ядро галактики похоже на задымленный мегаполис. Пелена пыли скрывает очаг активности. В этом переполненном галактическом городе сотни тысяч молодых звезд появляются из своих родовых облаков, а массивные пожилые звезды умирают взрывной смертью, оставляя за собой трупы, испускающие рентгеновские лучи. А в самом центре лежит неподвижное чудовище, черная дыра примерно в 2,5 миллиона раз тяжелее Солнца.
Только в 1970-х астрономы начали собирать воедино нечеткий портрет галактического центра. Первые проблески появились благодаря наблюдениям за радиоволнами и рентгеновскими лучами, которые легко проходят сквозь пыль, и исследованиям ближнего инфракрасного излучения, которое проникает в пыль в 10 раз лучше, чем видимый свет. Но большинство телескопов, даже если они были настроены на правильную длину волны, не были достаточно чувствительными или резкими, чтобы получить истинное изображение. Теперь глаза двух недавно запущенных рентгеновских обсерваторий, а также радио- и инфракрасные обзоры с использованием чувствительных наземных инструментов показали центр нашей родной галактики, как никогда раньше.
Новые изображения, которые показывают сотни ранее неизвестных источников рентгеновского и радиоизлучения, подтверждают, что «центр галактики находится там, где происходит действие», - отмечает К. Дэниел Ван из Университета. Массачусетса в Амхерсте. Более того, получение хороших изображений этого действия в настоящее время является одним из немногих способов узнать о формировании и эволюции галактик в миллиардах световых лет от нашей.
«Подробная картина физических процессов, влияющих на эту необычную область [в Млечном Пути], является ключом к пониманию всех других галактических ядер во Вселенной», - комментирует Андреас Эккарт из Кёльнского университета в Германии..
Ванг и другие ученые представили изображения Млечного Пути в прошлом месяце на собрании Американского астрономического общества в Вашингтоне, округ Колумбия
Панорама
Используя рентгеновскую обсерваторию НАСА «Чандра», которая начала собирать данные более 2 лет назад, Ван и его сотрудники сосредоточились на высокоэнергетических выбросах из центральной области Млечного Пути. Полученная панорама, состоящая из 30 снимков, показывающих компактные звезды, залитые туманом горячего газа, решает давнюю загадку. Более ранние исследования с помощью телескопов с более низким разрешением привели исследователей к предположению, что большая часть рентгеновских лучей исходит от диффузного газа, распределенного по всему ядру.
Чтобы объяснить все рентгеновское излучение, газ должен быть не только чрезвычайно массивным, но и обжигающе горячим - около 100 000 кельвинов. Галактике трудно создать большое количество горячего газа и еще труднее его удержать.
Астрономам нужно было либо придумать какой-то новый механизм, который мог бы объяснить ситуацию, либо выяснить, что не так с их картиной.
Вот тут-то и появилась Чандра. С ее помощью астрономы впервые могут различать рентгеновское излучение от точечных источников, обычно отдельных звезд, и от диффузного газа в центре нашей галактики. Изображения показывают, что наряду с газом в выбросы вносят вклад не менее 1000 точечных источников, из которых только 20 были идентифицированы ранее.
Рентгеновское излучение примерно поровну распределяется между газом и звездами, поэтому газ в галактическом центре не обязательно должен быть таким массивным или горячим, как предполагали астрономы. Фактически, его температура должна быть всего около 10 000 кельвинов - одна десятая значения, которое было первоначально определено. Ван отмечает, что газ при такой температуре имеет гораздо меньше шансов выйти из центральной области. В дополнение к описанию этих открытий на собрании астрономов, он и его коллеги сообщают о своем исследовании в журнале Nature от 10 января.
Исследовательская группа Ванга сосредоточилась на рентгеновских лучах, связанных с железом в центре Млечного Пути. Атомы железа излучают большую часть своих рентгеновских лучей на двух конкретных длинах волн, одна из которых соответствует энергии 6700 электрон-вольт. Это излучение производится атомами железа, лишенными всех электронов, кроме двух, из их 26, и Чандра обнаружил, что большая часть этого излучения исходит от точечных источников.
Рентгеновские лучи именно с такой энергией образуются, когда гравитация компактной звезды, такой как белый карлик, нейтронная звезда или черная дыра звездной массы, вырывает вещество из звезды-компаньона с более низкой плотностью. Это говорит о том, что многие из точечных источников, наблюдаемых с помощью Chandra, являются чрезвычайно плотными звездами, заключенными в гравитационные объятия с обычными звездами, говорит Ван.
Железо также излучает рентгеновские лучи с несколько меньшей энергией 6400 электрон-вольт.
Это излучение возникает, когда энергичный источник рентгеновского излучения бомбардирует и слабо ионизирует атомы, заставляя их флуоресцировать. Данные Чандра показывают, что большая часть диффузного излучения в центре галактики связана с этой флуоресценцией, однако исследователи не смогли идентифицировать какую-либо группу источников рентгеновского излучения, достаточно ярких или достаточно многочисленных, чтобы так эффективно бомбардировать атомы железа.
Ванг и его сотрудники предполагают, что источником может быть сверхмассивная черная дыра, которая, как известно, скрывается точно в центре галактики. Область, окружающая черную дыру, сегодня излучает мало излучения, что позволяет предположить, что дыра не поглощает большую часть своего окружения. Но несколько сотен лет назад, как предполагает команда Вана, дыра могла быть скорее обжорой. Большее количество материала, подаваемого в дыру в то время, должно было излучать больше рентгеновских лучей.
Эти рентгеновские лучи были бы рассеяны более холодным газом и к настоящему времени достигли бы нескольких сотен световых лет от черной дыры. Именно в этой области сенсоры «Чандры» обнаруживают флуоресценцию атомов железа. Таким образом, флуоресценция может быть признаком того, что в недавнем прошлом галактический центр был более опасным местом, полагает Ван.
Дальнейшие наблюдения за центром Млечного Пути с помощью Чандры могут принести еще большую отдачу, отмечает Розмари Ф. Г. Уайз из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе. Они могут пролить свет на малоизученный аспект формирования галактик.
Изучая свойства газа в центре галактики, астрономы планируют исследовать взаимодействие между газом и массивными звездами, которые формируются с бешеной скоростью в замкнутом пространстве и заканчивают свою короткую жизнь взрывами сверхновых., говорит Уайз.
Взаимодействие или обратная связь играли ключевую роль в первые дни формирования галактики, отмечает Уайз. Когда газ в галактиках остыл, он сконденсировался в звезды. Когда взорвалось самое первое поколение массивных звезд, оно нагрело газ, который еще не остыл настолько, чтобы образовались звезды. Этот процесс нагрева, в свою очередь, значительно замедлил процесс звездообразования.
Без такого нагрева первые маленькие галактики быстро превратили бы весь свой газ в звезды. К тому времени, когда самые ранние галактики слились в более крупные, большая часть их газа была бы поглощена звездообразованием, и обширных ореолов газа, которые придают таким большим галактикам, как Млечный Путь, их огромную ширину, просто не существовало бы.
Хотя первые сверхновые оказали глубокое влияние на раннее звездообразование, точная природа этого воздействия, которое астрономы называют обратной связью, до сих пор плохо изучена. Поскольку обратная связь включает в себя гравитацию и многие другие факторы, такие как давление газа, ударные волны от сверхновых и эффект излучения, испускаемого во время этих звездных взрывов, ее чрезвычайно сложно включить в компьютерные модели формирования галактик.
«Мы не понимаем, как работает обратная связь, а галактический центр - отличный испытательный полигон», - говорит Уайз.
Вид с высоты птичьего полета
Ближний инфракрасный свет, который находится сразу за красной границей видимого спектра, не может проникать сквозь пыль так же хорошо, как рентгеновские лучи. Но наблюдение Млечного Пути на этих более длинных волнах позволяет обнаружить более распространенные и более холодные звезды, составляющие основную часть звездного населения галактики. Используя избранную группу из 30 000 звезд из 300 миллионов или около того, каталогизированных в огромном обзоре ближнего инфракрасного диапазона под названием 2MASS (Обзор всего неба на два микрона), исследователи получили первый вид с высоты птичьего полета на спиральный диск нашей галактики и сигару. -образная структура, называемая стержнем, в центре.
Получить такую перспективу - немалый подвиг, учитывая, что земляне живут в сплющенном, быстро вращающемся диске Млечного Пути, примерно на одной трети расстояния от его внешнего края. Наш взгляд на галактику обычно ограничен, как если бы Млечный Путь был пыльной, быстро вращающейся пластинкой для фонографа, и мы застряли на его поверхности. Новая карта, работа над которой все еще продолжается, выводит наблюдателя за пределы диска галактики, обеспечивая первое точное изображение того, как выглядел бы Млечный Путь, если бы мы могли наблюдать его сверху.
Чтобы достичь этой возвышенной перспективы, команда под руководством Майкла Ф. Скрутски из Университета Вирджинии в Шарлотсвилле и Мартина Вайнберга из Университета Массачусетса сосредоточилась на углеродных звездах, блестящей последней стадии звезд. которые весят от одного до четырех раз больше, чем солнце. У этих звезд среднего возраста почти закончилось ядерное топливо. Углерод, который они производят в своем ядре, как один из конечных продуктов нуклеосинтеза, мигрирует на поверхность, где его можно легко обнаружить.
Из всех звезд, зарегистрированных 2MASS, астрономы решили сначала проанализировать углеродные звезды из-за трех замечательных свойств. Во-первых, звезды настолько яркие, что телескопы на Земле могут обнаружить их по всей галактике. Во-вторых, хотя пыль Млечного Пути затемняет свет углеродных звезд, звезды остаются легко узнаваемыми, и их нельзя спутать с другими звездами в обзоре.
Лучше всего то, что углеродные звезды действуют как стандартные свечи - все эти звезды имеют примерно одинаковую светимость, как если бы они были лампочками одинаковой мощности. Это свойство превращает их в настоящие вехи, отмечающие расстояния по всей галактике.
Сравнивая светимость углеродной звезды с ее яркостью на небе, Скрутски, Вайнберг и их коллеги определили расстояние до каждой из 30 000 углеродных звезд в 2MASS. Их предварительная карта показывает внешние границы звездного диска Млечного Пути. Карта показывает, что галактическая перемычка в центре галактики имеет диаметр около 15 000 световых лет.
«Что отличается и является новым здесь, так это то, что [команда] смогла составить карту того, что представляет собой, по сути, вся галактика, используя эти звезды», - отмечает Лео Блитц из Калифорнийского университета в Беркли. «Очень большое количество [углеродных] звезд дает высококачественное изображение с высоты птичьего полета».
Бар The Milky Way и многое другое
Исследователи не уверены, как формируются галактические перемычки, но компьютерные модели предполагают, что, когда звезды очень быстро вращаются вокруг центра галактики, многие из их орбит удлиняются, и звезды собираются во вращающемся прямоугольном расположении. Бары могут играть жизненно важную роль в эволюции галактики, потому что они направляют газ и пыль к центру галактики. Падающий материал может вызвать волны звездообразования в центральной области. В качестве альтернативы, он может обеспечить стабильную поставку топлива для сверхмассивных черных дыр, подобных той, что находится в центре нашей галактики, отмечает Блитц.
Из анализа инфракрасного излучения, зарегистрированного детектором на воздушном шаре, Блиц и Дэвид Н. Спергель из Принстонского университета десять лет назад пришли к выводу, что в центре Млечного Пути должна быть полоса. Блиц называет новую карту «наиболее выдающимся визуальным подтверждением» этой структуры, потому что она отображает положение отдельных звезд, а не просто учитывает общее количество света, которое они излучают.
Скрутски и Вайнберг сейчас работают над включением других почти 300 миллионов звезд, зарегистрированных 2MASS, в свою галактическую карту. Это монументальная задача, говорит Скрутски, потому что, в отличие от углеродных звезд, лишь несколько других звезд в обзоре действуют как стандартные свечи. Для большинства звезд яркость напрямую не указывает на расстояние до них.
Вместо этого команда применяет статистические методы для размещения этих звезд на карте. Опираясь на известную информацию о структуре Млечного Пути, исследователи ищут модель нашей галактики, которая лучше всего соответствует цветам и положениям всех звезд, обнаруженных 2MASS. Если есть несоответствие, команда слегка меняет такие свойства модели, как длина полосы или плотность спиральных рукавов галактики, а затем повторно оценивает соответствие между моделью и данными.
Этот итеративный, компьютерно-интенсивный подход может дать в течение года гораздо более подробную карту всего Млечного Пути, включая его спиральные рукава, освещенные звездами, говорит Скрутски. Текущая карта дает только намек на рукава, отчасти потому, что неопределенность в расстояниях до углеродных звезд эффективно размывает такие структуры, отмечает он.
Более подробная карта могла бы развеять опасения таких астрономов, как Уайз. Она беспокоится, что углеродные звезды, которые не являются самыми старыми звездами в галактике, могут не быть хорошими индикаторами самых древних частей Млечного Пути.
Тем временем другие астрономы также строят новые карты галактического центра, комбинируя радионаблюдения с радиотелескопа Very Large Array в Сокорро, штат Нью-Мексико, с инфракрасными исследованиями и данными, зарегистрированными X-X Европейского космического агентства. ray Multi Mirror-Newton Observatory, запущенная в 1999 году. Целью, по словам Дэвида Хелфанда из Колумбийского университета, является не что иное, как полная перепись звездных рождений и смертей в переполненном ядре Млечного Пути..
«Яркие центральные области - это все, что мы можем видеть в [отдаленных] галактиках», - отмечает Джерри Гилмор из Кембриджского университета в Англии.«Поэтому, если мы хотим понять их, нам нужна оценка из подробной локальной информации в Млечном Пути о том, какие процессы и временные масштабы участвуют» в формировании ядер галактик.
Информация, предупреждает Гилмор, только начинает поступать. Он отмечает: «Все эти новые исследования дают список вещей, которые нам еще предстоит понять».