Обманчивая галактика I Zwicky 18

На фото, полученном с помощью телескопа «Хаббл» в 2005 и 2006 году, изображена галактика I Zwicky 18 в созвездии Большой Медведицы. Ее открыл в 1930-е годы швейцарский астроном Фриц Цвикки. Первые расчеты показали, что возраст звезд в ней — не более 500 миллионов лет, что дало галактике известность как самой молодой из наблюдаемых. Но позже оказалось, что I Zwicky 18 удалось реализовать желание многих людей выглядеть моложе, чем на самом деле.

Возраст галактик определяется по двум основным факторам: возрасту самых старых звезд в них и содержанию металлов. Звезды формируют цвет галактики. Голубые звезды (см. Голубой гигант) — это всегда большие, горячие и молодые звезды. Красные пятна на заднем плане на главном фото — другие галактики. При сравнении цветов становится понятно, что звезды I Zwicky 18 гораздо моложе звезд всех своих соседей.

Бывает, что цвет звезд прямо не указывает на возраст галактики. Например, возможно, что молодые голубые звезды — это второе поколение звезд, то есть первые звезды галактики давно образовались и прошли весь цикл своей жизни, вспыхнув в виде новой или сверхновой, а из оставшегося материала сформировались новые звезды второго поколения. При различных катастрофических событиях в галактиках, например их столкновениях, активизируется процесс звездообразования, и тогда галактики могут помолодеть на вид за счет появления большого количества новых молодых голубых звезд.

Изображение галактики I Zwicky 18, полученное телескопом «Хаббл» в 2004 году. Фото с сайта astronet.ru

Отличить действительно молодую галактику помогает ее химический состав. Молодые галактики состоят из исходных веществ Вселенной — водорода и гелия, а металлов в них практически нет (см. Металличность). Металлы — более тяжелые элементы, и образуются они внутри звезд. Чтобы они появились, звезды должны прожить в галактике достаточно долго. Отсутствие металлов и других тяжелых элементов указывает на то, что мы видим молодые звезды первого поколения, и раньше в галактике звезды не образовывались. Газ I Zwicky 18 содержит тяжелых металлов даже меньше, чем у других наблюдаемых молодых галактик, что подтверждает ее небольшой возраст.

Казалось бы, всё подтверждает молодость галактики I Zwicky 18, но есть одна проблема. Инфляционные теории возникновения галактик предполагают, что все галактики формировались из квантовых флуктуаций — неоднородностей энергии — во время инфляционного расширения Вселенной. После расширения этих флуктуаций со сверхсветовой скоростью возникли гигантские неоднородности. Далее, в течение еще нескольких сотен миллионов лет, в них формировалась материя галактик, а позже — и первые звезды. Так как инфляционное расширение произошло 13,7 млрд лет назад, можно предположить, что всем галактикам сейчас порядка 12–13 млрд лет. Наша галактика Млечный Путь и все соседние галактики это подтверждают. Самые старые звезды в них имеют возраст около 12 млрд лет. Все соседи I Zwicky 18 имеют возраст 10–11 млрд лет.

Правда, чем дальше галактика от нас, тем она выглядит моложе. Свет распространяется с конечной скоростью, и если галактика будет находиться от нас, например, на расстоянии 10 млрд световых лет, то мы увидим ее молодой, такой, какой она была 10 млрд лет назад, так как свет от нее только дошел до нас. Цвет такой галактики будет красноватым из-за красного смещения, которое возникает из-за эффекта Доплера и расширения Вселенной. I Zwicky 18 расположена достаточно близко от нас по галактическим меркам — всего в 59 миллионах световых лет. С учетом близкого расположения она должна выглядеть на 10–12 млрд лет, но выглядит значительно моложе — на 500 млн лет.

Решение головоломки нашлось в 2006 году. На изображении, сделанном «Хабблом», всё-таки удалось рассмотреть несколько красных звезд возрастом более 1 млрд лет. Старые звезды — тусклые объекты, и их плохо видно. Они были замечены на пределе чувствительности телескопа. И хотя обнаруженные звезды всё равно моложе, чем нужно, появились основания полагать, что в галактике есть звезды еще старше, просто их настолько мало и они настолько тусклые, что телескоп не может их зафиксировать.

Кроме старых красных звезд на снимке I Zwicky 18 удалось рассмотреть цефеиды (отмечены красными кружками), пульсирующие переменные звезды, с помощью которых удалось определить расстояние до галактики — 59 млн световых лет от Земли, что на 10 млн световых лет дальше, чем считали ранее. Фото с сайта hubblesite.org

Вероятно, газопылевые облака I Zwicky 18 образовались всё же вместе с облаками других галактик, но процессы звездообразования протекали значительно медленнее. Несколько миллиардов лет галактика пребывала в стационарном состоянии, и только несколько миллионов лет назад скорость звездообразования значительно увеличилась.

Но как I Zwicky 18 удалось так хорошо сохраниться и что вызвало всплеск процессов образования звезд? Эти интересные вопросы остаются нерешенными. Возможно, спусковым механизмом для всплеска звездообразования является меньшая галактика I Zwicky 18 C. Гравитационное влияние этой галактики могло взбудоражить облако газа, долгие годы бывшее спокойным и устойчивым, после чего процессы сжатия при формировании звезд цепной реакцией распространились на газовые облака по всей галактике. Это пока только теории, требующие доказательств.

Галактика I Zwicky 18 в окружении красных фоновых галактик. Чуть выше I Zwicky 18 видна галактика-спутник I Zwicky 18 C. Фото с сайта spacetelescope.org

Как бы то ни было, даже если не удастся найти ответы на все вопросы, связанные с происхождением I Zwicky 18, ее изучение позволит проследить процессы ранних этапов возникновения галактик гораздо лучше и точнее, чем изучение более далеких молодых галактик. Кроме того, I Zwicky 18 является единственной наблюдаемой молодой компактной карликовой галактикой (см. Blue compact dwarf galaxies). Ее ширина составляет всего 3000 световых лет. Другие молодые карликовые галактики слишком далекие, чтобы их можно было хотя бы обнаружить. Поведение карликовых галактик на ранних этапах в некоторых аспектах может отличаться от поведения других галактик, и только исследования I Zwicky 18 могут дать информацию об этом.

Также есть шансы обнаружить и изучить в этой галактике самые первые звезды, в том числе звезды гипотетического населения III (см. Population III stars). Это чрезвычайно массивные и горячие звезды, в которых практически нет тяжелых элементов. Их выделяют в отдельную группу, предполагая различия в эволюции с другими звездами. Время их жизни — несколько миллионов лет, что по космическим меркам очень мало, и обнаружить их можно в галактиках, в которых только начался процесс звездообразования. Существование таких звезд вытекает из физической космологии (см. Physical cosmology), но их еще не наблюдали напрямую.

Фото с сайта hubblesite.org.

Александр Яровитчук