Небесные верблюды, газели и гигантский лев

Петер Апиан

Низко над северным горизонтом можно увидеть ночью пастуха с собакой и овцами. На северо-востоке в небе поднимаются четыре верблюда, а в зените появляется старая женщина с тремя юными девушками. Так видели небо не только древние греки, но и бедуины в регионе кочевья арабов доисламского периода. Картограф Петер Апиан (Petrus Apianus) в начале шестнадцатого столетия показал нам некоторые из этих забытых фигур, которые представляет его вращающаяся карта созвездий на небе, видимом из Европы.

Современные и древние представления небесной карты созвездий

Стадо овец, верблюдов и женщина с тремя девушками - это Цефей с Драконом и Большой Медведицей Фото: Stellarium

Пастух - для нас Цефей. Верблюды - это часть нашего Дракона, а старуху с тремя девушками мы знаем как Большую Медведицу. Кроме того, в Аравии видели хорошо знакомого нам Льва. Разумеется, он тогда был гораздо больше и включал в себя звезды из созвездий Девы, Лодки, Ворона, Рака, Близнецов и Малого Пса. К этому созвездию относятся и убегающие от Льва Газели, драматическая сцена с которыми разыгрывается после погружения в темноту большей части небосвода.

Сотни звезд входят в созвездия животных или людей

Вращающаяся карта Апиана: небо, видимое из Европы

На небесной карте созвездий есть птицы, лягушки, гиены, овцы и много других представителей живой природы. Наш Заяц был в небе бедуинов группой из четырех верблюдов, пьющих воду из реки Млечного Пути. Пять звезд Девы представляли у них лающих собак.

Реже на небе попадались бытовые вещи: так квадрат Ворона казался бедуинам шатром, раскинутым в пустыне. Несколько названий звезд сохранилось до наших дней, например, Альдебаран и Бетельгейзе - модификации арабской Руки Великана.

Нельзя сказать, что древние видели в небе что-то неправильно: если применить немного фантазии, то в расположении звезд можно увидеть почти всё, что существует на Земле.

Солнце опоздало на "бэби-бум" звезд Млечного Пути

Солнца еще не существовало, когда в нашей молодой Галактике разразился звездный "бэби-бум": пик звездообразования был 10 млрд. лет назад. Тогда бесчисленные звезды Млечного Пути создавались из газообразного водорода, сжимавшегося под действием гравитационных сил в 30 раз быстрее, чем сейчас. Но Солнце возникло лишь спустя 5 млрд. лет, когда темп рождения звезд снизился до минимума.

Однако позднее возникновение нашего светила, возможно, способствовало эволюции планет Солнечной системы. В этот период появилось больше элементов, которые были тяжелее водорода и гелия, так как более массивные звезды рано завершили свой жизненный цикл и обогатили Галактику веществами, служившими строительным материалом для планет и даже жизни на Земле.

У астрономов нет фотографий по которым можно было бы проследить, как образовались звезды галактики Млечный Путь. Но им удалось изучить историю подобных объектов, найденных далеко во Вселенной, масса которых соответствует массе Млечного Пути. Заглядывая в глубины Вселенной, можно "перенестись назад во времени", так как свет далеких звезд достиг Земли только сейчас. Из этих исследований, растянутых во времени более, чем на 10 млрд. лет, исследователи собрали альбом изображений, содержащих около 2000 снимков галактик, напоминающих Млечный Путь.

Вид ночного неба с гипотетической планеты в раннем Млечном Пути 10 млрд. лет назад. Бурное звездобразование: светящиеся розовые облака водорода, бесчисленные новорожденные звезды, голубовато-белые молодые звездные скопления
Иллюстрация: NASA, ESA, Z. Levay (STScI)

Новая перепись дает наиболее полную картину и о том, как такие галактики, как Млечный Путь, превратились за последние 10 млрд. лет в современные величественные спиральные галактики. Исследование охватывает данные от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного световых диапазонов, объединяя наблюдения, сделанные орбитальными телескопами "Хаббл" и "Спитцер" (НАСА), космическим телескопом "Гершель" (ЕКА, и наземными телескопами, в том числе "Магеллановым Телескопом Баада" обсерватории Лас-Кампанас (Чили).

"Это исследование позволяет нам понять, на что мог быть похож в прошлом Млечный Путь", - сказал Кейси Папович (Casey Papovich) из Texas A&M University в Колледж-Стейшне (Техас, США), ведущий автор сообщения. Анализ подтвердил результаты предыдущих исследований, которые показали, что развитие Млечного Пути начиналось с маленьких звездных сгустков. Крошечная галактика заглатывала большие объемы газа, что вызвало вспышку процесса образования звезд.

Снимки Хаббла (НАСА) показывают развитие галактики, соответствующей по массе Млечному Пути Монтаж: NASA, ESA, Папович (Texas A&M University), Фергюсон (STScI), Фабер (Университет Калифорнии, Санта-Крус) и Лаббе (Leiden University)

Эти шесть снимков Хаббла, сделанные НАСА, показывают, как с течением времени развивались галактики, по массе подобные Млечному Пути: справа изображение молодой галактики, как она выглядела 11,3 млрд. лет назад, переживая бум звездообразования; в центре - 10,3 млрд. лет назад огненная буря рождения звезд достигает своего пика; затем Галактика 8,9 млрд. лет назад, когда она приняла форму спирали, а самые старые звезды находятся в ее центральной области; почти 3 млрд. лет спустя - Галактика выросла еще больше, а звезды выглядят красноватыми.

Астрономами была выявлена прочная взаимосвязь между формированием звезд в галактиках и ростом галактической звездной массы. Наблюдения продемонстрировали, что с сокращением рождения звезд, замедляется также рост галактик. "Я думаю, что данные свидетельствуют о том, что рост большинства таких галактик, как Млечный Путь, можно объяснить их звездообразованием", - сказал Папович.

Источник:  hubblesite.org

Звездные скопления выталкивают своих гигантов

По сравнению с некоторыми из сородичей, Солнце - почти карлик. Многие звезды достигают  его десятикратной массы, а есть такие, что больше нашего светила даже в 200 раз и сияют, как миллион солнц. Это сияние стоит им потери длительности жизни: по астрономическим меркам звезды-гиганты живут недолго. Через несколько миллионов лет они взрываются как сверхновые: остаются нейтронные звезды или черные дыры.

Большое значение имеет распределение в пространстве таких недолговечных звезд, оказывающих огромное влияние на эволюцию галактик. Однако, как это происходит, оставалось до сих пор загадкой. Разобраться в процессе удалось команде астрофизиков из Университета Бонна, выяснивших, что гигантские звезды выталкивают друг друга из звездных скоплений, как бильярдные шары.

Гигантские звезды и звездные скопления

Астрономы спорят, как возникают эти яркие солнца. Многие из них оказываются вдали от известных молодых звездных кластеров, поэтому некоторые ученые считают, что такие звезды возникли там случайно. Другие придерживаются мнения, что их образуют только в очень молодые плотные газовые звездные скопления. Но это противоречит замеченному распределению массивных звезд на просторах нашей Галактики.

Из кластера NGC3603 выброшено в просторы Млечного Пути не меньше восми тяжелых звезд Фото: NASA, ESA

Павел Кроупа (Pavel Kroupa), Зойнгкиунг Ох (Seungkyung Oh) и Ян Пфламм-Альтенбург (Jan Pflamm-Altenburg) из Университета Бонна (Германия) впервые смогли представить решение этой дилеммы. Для этого исследователи работали на протяжении трех лет с компьютерными моделями всех популяций звездных скоплений, найденных в Млечном Пути. Результаты применимы и для других подобных галактик.

Танцующие парные звезды

Команда исследователей сумела показать, как распределяются тяжелых звезды Млечного Пути, которые видимо, выталкивают друг друга из кластеров. "Очень молодые звездные скопления действуют как ускорители, как своего рода космические усилители", - поясняет Кроупа. В очень плотных центрах скоплений звезды-тяжеловесы встречаются часто и обмениваются при этом значительными количествами двигательной и гравитационной энергии.

Большинство этих объектов - на одиночные звезды: они вращаются со своими партнерами очень близко друг к другу, как в венском вальсе. "Все эти пары соединены друг с другом гравитацией и обладают огромными связанными энергиями", - говорит астрофизик. Если такие пары встречаются, некоторые партнеры разлетаются, а другие жмутся друг к другу еще теснее или даже сливаются. В таких случаях, потенциальная энергия между партнерами еще больше возрастает, а затем может переноситься в другую звездную систему или одиночной звезде.

Бешеные звезды-гиганты

При столкновении наскольких бильярдных шаров их импульс передается друг другу и один часто выскакивает. Так происходит и с "тяжеловесами", несущимися сквозь Млечный Путь со скоростью более миллиона км/час. Большинство же солнц - по отношению к другим звездам - достигают лишь 70000 км/час.

Скопление Трапеция Ориона постоянно выбрасывает в пространство звезды-гиганты

Особенно интересным был результат очень подробных расчетов, показавший ранее неизвестное явление: звездными скоплениями, например, молодым кластером Трапеция Ориона из астеризма (различимая группа звезд) Меч Ориона выбрасывается очень много тяжелых звезд - в некоторых случаях даже все.

Команда исследователей Университета Бонна считает полученные результаты подтверждением того, что тяжелые звезды не могут возникать где-то в галактике случайно, хотя их там и находят. "Эти результаты имеют важное значение для понимания эволюции галактик ", - подчеркивает Кроупа.

Источник: The Astrophysical Journal

Информация, попавшая в черную дыру, не исчезает

В новом исследовании американских астрофизиков проведены математические расчеты и доказана возможность восстановления информации, поглощенной черными дырами.

Человечество давно влекут непостижимые тайны черных дыр, но самой большой загадкой является вопрос, что происходит с материей, когда она ими всасывается вовнутрь. Ученые больше не считают, что информация о материи безвозвратно теряется и восполнить ее невозможно. Недавняя теория предоставляет математическое решение "парадокса потерь", уже более 40 лет занимающего физиков, исследующих черные дыры. Эта теория утверждает, что информация, которая входит в черную дыру, продолжает в той или иной форме там существовать. Данная гипотеза фактически опровергает теорию Стивена Хокинга о разрушении материи черными дырами.

Предположение Хокинга о черных дырах

Знаменитый физик предположил, что черная дыра, излучающая энергию, в конечном счете исчерпывает себя и умирает. Это означало, что вся информация о материи, которую поглотила черная дыра, просто исчезает, а исчезновение информации в черной дыре прямо противоречит принципам квантовой механики, утверждающим, что вся информация должна сохраняться.

Новая теория черных дыр

Новое исследование, бросившее вызов Хокингу, проведено ведущим автором работы, Деяном Стойковичем (Dejan Stojkovic), доктором философии и адъюнкт-профессором физики - Университет штата Нью-Йорк, Буффало, США. В статье, опубликованной в Physical Review Letters, утверждается, что мы можем найти информацию о том, что находится внутри черной дыры, наблюдая за испускаемыми ею частицами. Кроме того, можно вычислить особенности самого объекта, который первоначально сформировал эту черную дыру.

Результаты Стойковича демонстрируют, что материя внутри нее сохраняется, а это противоречит теории Хокинга о черных дырах.

Черная дыра: информация внутри сохраняется

Стойкович вычислил, что наблюдатель, находящийся вне черной дыры, может восстановить информацию о материи, угодившей внутрь, анализируя не только испускаемые ею частицы, но и тонкие взаимодействия между ними. Очевидно, научному сообществу уже какое-то время было известно о такого рода корреляциях, но это первая работа, осуществившая к данной проблеме математический подход. Вначале многие ученые считали такие корреляции неэффективными, так как они были крайне малыми, но Стойкович подсчитал, что эти взаимодействия со временем становятся достаточно большими, чтобы существенно влиять на расчеты.

Физика черных дыр продолжает оставаться горячей темой дебатов в среде астрофизиков. Хотя эта новая гипотеза и предлагает решение, полученные результаты могут просто "подкинуть дров" в огонь продолжающейся дискуссии.

Ранняя Вселенная: фейерверк звездообразования

Сегодняшние скопления галактик возникали не постепенно - они родились в настоящем взрыве звездообразования. На это указывают данные космических телескопов "Планк" и "Гершель". С их помощью астрономы сделали уникальный снимок ранней Вселенной - взгляд в детство сразу 230 молодых галактик и скоплений.

Такие галактики, как наш Млечный Путь, не одиночки: они образуют вместе с другими крупные галактические кластеры. Наша космическая родина - сверхскопление Ланиакея (Laniakea).

Как образовались массивные скопления галактик

До сих пор было проведено только несколько отдельных наблюдений галактических скоплений или обширных структур в ранней Вселенной. "Не было известно, возникали ли молодые галактики постепенно, как марафонцы, которые распределяют свою силу, или же они были сформированы рывками", - объясняет соавтор работы, Бренда Фрай (Brenda Frye) - университет Аризоны, США.

Чтобы ответить на этот вопрос, астрономы использовали данные космического телескопа "Планк", который записывает космическое фоновое излучение с беспрецедентной точностью и дает тем самым ключ к пониманию истории нашей Вселенной.

Как правило, при такой постановке вопроса фоновые сигналы исключают, потому что они искажают значения излучения, полученные из тех времен, когда после Большого Взрыва прошло всего несколько сотен тысяч лет. Тем не менее, исследователи с успехом использовали именно эти сигналы для поиска галактических скоплений в ранней Вселенной.

Карта Космоса в субмиллиметровом диапазоне. Черные точки соответствуют недавно обнаруженным прото-кластерам Фото: © ESA/Planck Collaboration

200 галактических скоплений

В данных "Планка" астрономы наткнулись на 234 места, в которых излучение сильно колебалось, что указывало на появление примерно через три млрд. лет после Большого Взрыва больших скоплений массы.

Последующие наблюдения в инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах, выполненные космическим телескопом Herschel, показали, что это молодые скопления галактик. "В отличие от предыдущих наблюдений, при которых были найдены один или два молодых кластера, мы обнаружили с одной попытки сразу 200 таких скоплений", - сообщает Фрай.

Изображения прото-галактического кластера, сделанное космическим телескопом Herschel Фото: © ESA/Planck Collaboration/Dole и др.

Каждая из этих галактик в юных звездных скоплениях производила от нескольких сотен до более тысячи солнечных масс в год. Для сравнения, сейчас в Млечном Пути превращается за год в звезду только одна солнечная масса. "Мы были абсолютно шокированы мощными сигналами этих галактик", - говорит ведущий автор Эрве Доул (Hervé Dole) - Институт космической астрофизики, Орсэ. "Найти так много пылевых галактик, столь интенсивно образующих звезды в таких плотных группах, было большой неожиданностью".

Спринт вместо марафона

"Кажется, будто эти молодые галактики возникали не медленно, а довольно драматическим способом, - сказала Фрай. - Их сверкающее интенсивное звездообразование создало настоящий фейерверк в ранней Вселенной". Формирование первого кластера напоминало скорее спринт, чем не марафон.

Однако астрономы определили точный возраст и светимость не у всех недавно открытых галактик. Тем не менее, исследователи видят в них наиболее вероятных предшественников огромных галактических скоплений современной Вселенной. "Мы должны еще многое узнать об этой новой популяции, - сказал Доул. - Но мы полагаем, что они являются недостающей до сих пор частью головоломки формирования космологической структуры".

Источник: Astronomy & Astrophysics

Земля обязана своим существованием Юпитеру?

Фото: NASA/JPL

Только смещение Юпитера в ранней Солнечной системе создало возможность для возникновения планеты Земля. Без этого газового гиганта, возможно, не было бы ни нашего голубого шарика, ни других скалистых планет, так как лишь его миграция по Солнечной системе уничтожила ядра протопланет, находившихся ближе к светилу, чем сейчас Меркурий.

Солнечная система - аномалия: ни в одной другой известной планетарной системе внутренние планеты не находятся так далеко от светила и не обладают столь малыми газовыми запасами. В большинстве из примерно 500 известных систем экзопланет вблизи центральной звезды вращается довольно большой газовый гигант или суперземля. Период их обращения составляет иногда от нескольких дней до нескольких месяцев.

Кроме того, внутренние планеты Солнечной системы, в том числе и наша, по-видимому, появились лишь после выдувания солнечным ветром большей части газа. Поэтому его, по сравнению с другими планетами, у них так мало. "В этом отношении наша Солнечная система очень похожа на аутсайдера," - объясняют Константин Батыгин и Григорий Лафлин, Калифорнийский технологический институт (Caltech), Пасадена.

Смещение Юпитера - газовой планеты

Но почему Солнечная система так отличается от всех других известных планетных систем? Уже давно планетологами была выдвинута теория миграции Юпитера. Есть признаки того, что Юпитер, газовый гигант, возник не на своей орбите, а значительно дальше - во внешних областях, и постепенно перемещался внутрь Солнечной системы. И только после образования Сатурна он повернул назад и установился на своей нынешней орбите.

Газовый гигант Юпитер мог способствовать формированию скалистых планет Солнечной системы Фото: © NASA/JPL

"Есть много данных, доказывающих это внутреннее и внешнее смещение Юпитера", - сказал Лафлин. "Мы сейчас посмотрели, какие последствия они создали". Для этого исследователи провели компьютерное моделирование, которое реконструировало образование протопланет и воздействие миграции Юпитера на газ и образование планет в ранней Солнечной системе.

Фатальный каскад столкновений Юпитера

Оказалось, что путешествия газового гиганта могли вызвать настоящую цепную реакцию, так как он принес с собой во внутреннюю Солнечную систему, как показало моделирование, огромное количество скалистых обломков. "Масса этого материала, притянутого резонансным эффектом, составляла 10-20 земных масс - примерно на порядок больше, чем масса всех планет земной группы", - говорят исследователи. Газовый гигант мог притянуть планетезимали величиной до 1000 километров.

Миграция Юпитера несла с собой обломки, что было вызвано каскадом столкновений Фото: © Батыгин и Лафлин/PNAS

Это имело роковые последствия, вызвав каскад столкновений этих астероидов друг с другом и со скальными обломками, находившимися на орбитах внутренней Солнечной системы. Находившиеся там крупные планеты были уничтожены, и большая их часть рухнула на Солнце. Плотный аккреционный диск, расположенный сначала очень близко к светилу, был в этой области сильно истончен. Всё постепенно успокоилось лишь после изменения направления движения Юпитера.

Земля - результат второй попытки формирования планет

"Другими словами, миграция Юпитера в ранней Солнечной системе вымела внутреннюю Солнечную систему и заложила основу для формирования второго поколения небольших, бедных газом планет земной группы", - уточняют исследователи. Такой сценарий дает естественное объяснение, почему Солнечная система настолько отличается от многих планетных систем, обнаруженных в космосе Кеплером и другими телескопами. Земля и другие скалистые планеты возникли после этих катастрофических событий - либо из обломков, оставшихся после столкновений, либо из принесенных Юпитером из внешней Солнечной системы.

В большинстве экзопланетных систем планеты находятся гораздо ближе к своей звезде, чем Меркурий к Солнцу
Фото: © Батыгин и Лафлин/PNAS

"Великое перемещение Юпитера могло быть весьма 'значительной атакой' на раннюю Солнечную систему", - утверждает Лафлин. Газовый гигант действовал как большой раскачивающийся шар (шар-баба, применяемая при сносе зданий) - и, уничтожив первоначальные планеты, создал условия для образования  планеты Земля.

Источник:  pnas.org

Что движет звездами при слиянии галактик

В космосе часто происходят катастрофы: сталкиваются две или несколько дисковых галактик. При этом образуются эллиптические системы. В них есть регионы, где звезды совсем иначе движутся вокруг вокруг центра, чем в остальной части галактики. Ученые предполагали существование специальной относительной ориентации сталкивающихся галактик ("ретроградной").

Атанасия Тсатси (Athanasia Tsatsi), докторант Гейдельбергского астрономического института Макса Планка, нашла еще один способ. По ее гипотезе, потеря массы участвующих в столкновении галактик действует как гигантский ракетный двигатель.

Эллиптические галактики возникают, если сталкиваются и сливаются дисковые галактики, к которым относится и наш Млечный Путь. В таких системах иногда все звезды во внешних областях движутся в одном направлении, а направление вращения светил в центральном регионе может быть совсем другим.

Почему происходит движение в обратном направлении

Представьте себе, что центральная область одной из галактик-предшественниц под действием гравитации своей массы удерживается особенно прочно. Теперь направление вращения звезд в этой галактике происходит в направлении обратном вращению обеих галактик до слияния (ретроградное движение).

В таких условиях стабильная центральная область после слияния может стать центром новой эллиптической галактики, а ее звёзды продолжат вращение ту же сторону, что и раньше. Остальные же будут двигаться в противоположном направлении, следуя направлению вращения, в котором галактики-предшественницы обращались вокруг друг друга до слияния. Однако эта модель предсказывает меньшее количество центров, вращающихся в обратном направлении, чем их наблюдают в действительности.

Моделирование столкновения галактик

Такова была исходная ситуация, когда Атанасия Тсатси начала свои исследования и оценку компьютерного моделирования столкновения галактик. Ее целью было выяснить, как будут выглядеть эллиптические галактики при наблюдениях с помощью различных астрономических инструментов.

Молодая исследовательница сделала таким "виртуальным телескопом" неожиданное открытие: галактика, которая возникала при моделируемом слиянии, имела центральный регион, вращающийся в противоположную сторону. Но галактики-предшественницы не были ретроградной ориентации, что являлось, по существующей теории, условием возникновения обратного вращения.

Результат слияния галактик

Результат моделируемого слияния соответствовал тому, что уже было известно из наблюдений. Получившаяся эллиптическая галактика имела 130 млрд. солнечных масс и была одной из самых массивных представительниц своего вида. Именно в таких массивных эллиптических галактиках особенно часты и долговечны ретроградные центральные районы. В соответствии с компьютерной программой, они могли существовать еще около двух миллиардов лет после слияния.

Галактики в момент столкновении: снимки сделаны при моделировании Фото: © B. Moster/MPIA

Открытие молодой исследовательницы

При моделировании Атанасия Тсатси заметила то, что ускользнуло от всех ее предшественников: при вращении центральных областей галактик наступает момент смены направления. Этот поворот происходит, когда обе системы под воздействием взаимного притяжения теряют значительные массы материи – особенно звезды из их внешних областей.

Силы Мещерского

Происходящее в такой галактике тесно связано с исследованием русского математика Ивана Всеволодовича Мещерского (1859-1935). Он изучал частицы, массы которых со временем изменяются и движутся под действием их гравитации. Из-за изменения массы в игру вступают дополнительные силы, названные силами Мещерского.

Ракетный двигатель: принцип работы

Самый известный пример таких сил встречается в ракетном двигателе, когда из сопла выталкиваются горячие газы. При этом действует сила, толкающая ракету в противоположном направлении, и она ускоряется. Такое объяснение помогает понять, как при слиянии галактик с проградным (в одну сторону) вращением могут возникнуть ретроградные центральные регионы: потеря массы двух галактик имеет тот же принцип работы, что и ракетный двигатель и может быть достаточно сильной, чтобы изменить направление вращения звезд, находящихся на краях центральной области новой галактики.

Механизм Мещерского

Этот вид создания центральных регионов, вращающихся в противоположную сторону, Тсатси называет механизмом Мещерского.

Хотя открытие Атанасии Тсатси касалось сначала единичного случая, оно доказало, что таким образом могут образовываться центры галактик, вращающиеся в обратных направлениях. В дальнейшем астрономам, изучающим слияния галактик при различных начальных условиях, предстоит выяснить, насколько часто встречаются такого рода процессы. Если систематические исследования покажут, что механизм Мещерского при формировании вращающихся в противоположном направлении центров достаточно распространен, это может объяснить наблюдаемую частоту явления - тогда теория и практика придут к согласию.

Источник: mpg.de