Галактические новости

Галактика UDFj-39546284. Снимок сделан с помощью уникальной фотосистемы Wide Field Camera 3. Изображение с сайта www.nasa.gov

Во второй половине января журнал Nature опубликовал три статьи с весьма нетривиальной информацией о процессах галактогенеза (иначе говоря, формирования галактик). Хотя эти работы написаны разными авторами и на разные темы, о них вполне естественно рассказать в одной заметке.

Начну с последней по времени публикации астрономов из Нидерландов, США и Швейцарии (см.: R. J. Bouwens, et al. A candidate redshift z ≈ 10 galaxy and rapid changes in that population at an age of 500 Myr // Nature 469, 504–507). Они сообщили о возможной — и даже весьма вероятной — идентификации первого космического объекта с красным смещением, превышающим символический десятикратный порог (достижение этого порога в последние годы считалось весьма вероятным событием). Авторы полагают, что им удалось обнаружить галактику с красным смещением z = 10,3, возникшую не позже, чем через 480 миллионов лет после Большого взрыва, который, согласно Стандартной космологической модели, положил начало нашей Вселенной. Вероятность справедливости своей заявки они оценивают примерно в 80%.

Кандидат на роль древнейшего из всех известных на сегодняшний день скоплений звезд первого поколения (их также называют звездами популяции III), содержащих в своем составе практически только водород и гелий, пока известен под индексом UDFj-39546284. Его фотография была сделана в ходе двухлетнего сканирования сверхглубокого космоса с помощью уникальной фотосистемы Wide Field Camera 3, установленной на орбитальном телескопе имени Хаббла в мае 2009 года. Эта исследовательская программа, начатая осенью того же года, известна как НUDF09 (аббревиатура расшифровывается как Hubble Ultra Deep Field), отсюда и название объекта.

В настоящее время известно свыше 6 тысяч галактик с красными смещениями 6 > z > 3 — эти галактики родились в диапазоне 900–2000 миллионов лет после Большого взрыва. 23 апреля 2009 года космическая обсерватория Swift зарегистрировала гамма-всплеск с рекордным красным смещением z = 8,2, выброшенный в космос через 630 миллионов лет после Большого взрыва. В прошлом году появились сообщения о первой достоверной регистрации в ходе реализации программы НUDF09 без малого пятидесяти (47 для любителей точности) галактик или протогалактик с примерно таким же красным смещением. Средний возраст этих звездных ассоциаций, состоящих из очень ярких голубых звезд, всего на 650 миллионов лет уступает возрасту Вселенной.

Для идентификации объекта UDFj-39546284 была использована весьма эффективная методика поиска исчезновения спектральной зоны его излучения, которое было изначально испущено в ультрафиолетовом диапазоне, однако из-за расширения Вселенной до Земли дошло в виде инфракрасных фотонов. Этот спектральный «провал» объясняется тем, что свет звезд первого поколения затухал при прохождении через космические облака нейтрального водорода. Фотоны с энергией 10,2 эВ и частотой 2,47 × 10¹⁵ Гц, соответствующей длине волны 121,6 нм, инициировали квантовый скачок электронов с основного уровня атома водорода 1s на первый возбужденный уровень 2p (обратный переход с уровня 2p на уровень 1s генерирует излучение, известное как альфа-линия серии Лаймана). Фотоны с меньшими длинами волн терялись вблизи юных звезд при забросе электронов из основного состояния на еще более высокие энергетические уровни, а также претерпевали аналогичное поглощение при последующем прохождении через далекие газовые облака, когда эти длины подрастали благодаря красному смещению до тех же 121,6 нм. В результате излучение очень древних объектов вблизи Земли практически не содержит фотонов с длинами волн внутри определенного спектрального интервала. Его верхняя граница соответствует изначальной длине волны лаймановского альфа-перехода, сдвинутой космологическим красным смещением в ближнюю инфракрасную зону.

Этот эффект был теоретически вычислен в 1965 году Джеймсом Ганном и Брюсом Петерсоном (см.: James E. Gunn, Bruce A. Peterson. On the Density of Neutral Hydrogen in Intergalactic Space // Astrophysical Journal. V. 142. P. 1633–1641). Предсказанное исчезновение определенного спектрального участка излучения объектов с очень высокими красными смещениями называют впадиной (или желобом) Ганна–Петерсона (Gunn-Peterson trough). Эффект Ганна–Петерсона позволяет судить о плотности водорода в ту эпоху, когда излучение первых звезд еще не успело его полностью ионизовать. Позднее поглощение на частоте линии Лайман-альфа (Lyman-alpha line) прекратилось, поскольку практически весь нейтральный водород превратился в плазму из-за облучения звездным ультрафиолетом (этот процесс принято называть вторичной ионизацией, поскольку космический водород уже был полностью ионизирован со времени его возникновения вскоре после Большого взрыва до эпохи рекомбинации, которая примерно через 380 тысяч лет привела к появлению нейтральных атомов). По этой причине эффект Ганна–Петерсона наблюдается лишь при спектральном анализе звездного света, испущенного до завершения этой ионизации. Фактически его удается обнаружить в ходе изучения космических объектов с красным смещением выше 6 (впервые он был зарегистрирован 10 лет назад на примере квазара с красным смещением z = 6,28). Это как раз и показывает, что на отметке z ≈ 6, соответствующей возрасту Вселенной в 900–950 миллионов лет, процесс вторичной ионизации закончился, и в космическом пространстве практически не осталось нейтрального водорода.

Датировка излучения сверхдальнего космического объекта на основе эффекта Ганна–Петерсона выглядит очень простой на бумаге, однако технически очень сложна. Она требует чрезвычайно тонкого и трудоемкого спектрального анализа крайне слабого света древней галактики, который должен быть отделен от неизмеримо более мощного небесного инфракрасного фона. Боувенс и его коллеги полагают, что им удалось справиться с этой задачей, однако надежное подтверждение их выводов, скорее всего, сможет быть получено только после запуска космического телескопа имени Джеймса Уэбба с его огромным зеркалом и высокочувствительными детекторами инфракрасного излучения. Как теперь ясно, эта обсерватория вряд ли приступит к работе ранее второй половины 2015 года.

Снимки галактики UDFj-39546284 (кандидата на красное смещение z ≈ 10) в оптическом и околоинфракрасном диапазоне, полученные в ходе сканирования сверхглубокого космоса (HUDF). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Авторы статьи в Nature пришли к заключению, что на вселенской возрастной отметке примерно в 500 миллионов лет темпы звездообразования десятикратно уступали показателям, достигнутым еще через 200 миллионов лет (то есть для объектов с красным смещением порядка восьми). По их мнению, это означает, что через 500 миллионов лет после Большого взрыва процесс рождения звезд быстро набирал силу и, следовательно, начался гораздо раньше. Они предсказывают, что самые ранние примеры возникновения звезд и протогалактик будут выявлены в ходе наблюдений, способных обнаружить объекты с 15-кратным красным смещением, которое соответствует возрасту Вселенной в 300 миллионов лет. Однако для проведения столь глубокого сканирования Большого Космоса опять-таки придется ждать запуска телескопа имени Уэбба.

Перейдем к сообщениям астрономов из США и ФРГ, опубликованным 20 января (John Kormendy. R. Bender, M. E. Cornell. Supermassive black holes do not correlate with galaxy disks or pseudobulges // Nature 469, 374–376; John Kormendy, Ralf Bender. Supermassive black holes do not correlate with dark matter haloes of galaxies // Nature 469, 377–380). Они проливают свет на процессы, отвечающие за рост черных дыр, расположенных в центральных зонах абсолютного большинства галактик.

Существование таких дыр давно уже не вызывает сомнений. Их массы варьируют от нижнего предела в десятки тысяч масс Солнца до абсолютного на сегодняшний день максимума в 6,6 миллиардов солнечных масс, которого удалось достичь черной дыре в ядре эллиптической галактики М87, расположенной за 53,5 миллионов световых лет от Солнца (эта оценка была доложена 12 января на последней сессии Американского астрономического общества). Благодаря своей гравитации они поглощают газ из окружающего пространства (вероятно, подчас даже заглатывают целые звезды) и потому постепенно толстеют. Вопрос в том, как именно они это делают.

Как известно, галактики сильно различаются по структуре, которая влияет и на окружение черных дыр. Дыры в центрах эллиптических галактик, как правило, окружены сфероидальными облаками старых звезд — так называемыми балджами. Спиральные галактики, напротив, могут вовсе не иметь балджей или же обладать их сильно уплощенными версиями — псевдобалджами (стоит отметить, что этот термин в свое время ввел в обращение первый автор обоих статей Джон Корменди). Масса черной дыры практически всегда составляет несколько процентов массы окружающего ее балджа — конечно, если таковой имеется. Эта закономерность подтверждена наблюдениями, охватывающими дыры массой от миллиона до миллиарда солнечных масс. Согласно общепринятой интерпретации, она свидетельствует о том, что внутригалактические дыры растут совместно с окружающими их балджами. Однако проблема роста черных дыр в безбалджевых спиральных галактиках и галактиках с псевдобалджами (и те, и другие в литературе проходят под общим названием pure-disk galaxies) до сих пор оставалась открытой. Стоит отметить, что массы таких дыр обычно лежат в диапазоне 10⁴–10⁶ солнечных масс, то есть весьма скромны по галактическим масштабам. Именно такова масса дыры в центре нашей собственной безбалджевой Галактики, Млечного Пути.

Проблеме роста черных дыр в безбалджевых спиральных галактиках и галактиках с псевдобалджами и посвящена совместная работа Корменди, Бендера и Корнелла. Они пришли к заключению, что массы черных дыр, расположенных в центрах таких галактик, никак не коррелируют с общей массой галактических дисков и в лучшем случае очень слабо коррелируют с массой псевдобалджей. Это наблюдение позволило им выдвинуть гипотезу, согласно которой галактические черные дыры набирают массу двумя принципиально разными путями. Дыры, окруженные полноценными балджами, растут за счет стабильного поглощения падающего газа, которое резко усиливается при слиянии галактик и обычно запускает рождение квазаров. Такое слияние стимулирует миграцию газа к центру галактики, что приводит к расширению балджа и, соответственно, разрастанию черной дыры. Благодаря этому механизму балджи и дыры претерпевают совместную эволюцию, которая и объясняет корреляцию между их массами.

Иное дело безбалджевые галактики и галактики с псевдобалджами. Корменди, Бендер и Корнелл полагают, что принадлежащие им дыры питаются за счет местных стохастических процессов, вызывающих аккрецию холодного газа на черную дыру. Эти процессы, природа которых еще не ясна, разворачиваются в близком окружении дыры и не простираются на всю галактику. В результате дыра эволюционирует независимо от эволюции галактики или ее псведобалджа, что и объясняет отсутствие корреляции между их массами.

Спиральная галактика без балджа NGC 3621. Снимок сделан камерой Wide Field Imager, установленной на 2,2-метровом телескопе ESO в обсерватории Ла-Силья в Чили. Изображение с сайта www.eso.org

Вторая статья, подписанная только Корменди и Бендером, ставит под сомнение гипотезу, согласно которой внутригалактические черные дыры растут под прямым воздействием темной материи, содержащейся в галактических гало. Авторы утверждают, что эта гипотеза никак не подкрепляется статистическим анализом свойств множества известных галактик. В частности, безбалджевые галактики содержат черные дыры минимальной массы, хотя они нередко окружены очень массивными облаками темной материи. В общем, заключают Корменди и Бендер, «нет никаких оснований ожидать, что экзотические физические свойства небарионной темной материи, которые до сих нам еще неизвестны, непосредственно влияют на рост внутригалактических черных дыр». Так что кесарю кесарево, а богу богово.

Источники:
1) R. J. Bouwens, et al. A candidate redshift z ≈ 10 galaxy and rapid changes in that population at an age of 500 Myr // Nature. 27 January 2011. V. 469. P. 504–507. Doi: 10.1038/nature09717.
2) John Kormendy. R. Bender, M. E. Cornell. Supermassive black holes do not correlate with galaxy disks or pseudobulges // Nature. 20 January 2011. V. 469. P. 374–376. Doi:10.1038/nature09694.
3) John Kormendy, Ralf Bender. Supermassive black holes do not correlate with dark matter haloes of galaxies // Nature. 20 January 2011. V. 469. P. 377–380. Doi:10.1038/nature09695.

См. также:
NASA's Hubble Finds Most Distant Galaxy Candidate Ever Seen in Universe — пресс-релиз NASA, 26.01.2011.

Алексей Левин