Кроме того, Млечный Путь притягивает к себе огромные массы газа. Так, в 1958 году нидерландские астрономы заметили в гало множество небольших пятен. На поверку они оказались газовыми облаками, которые состояли в основном из атомов водорода и мчались в сторону галактического диска.
Наша Галактика не умерит свой аппетит и впредь. Очевидно, она поглотит ближайшие к нам карликовые галактики – Форнакс, Карину и, может быть, Секстанс, а затем сольется с туманностью Андромеды. Вокруг Млечного Пути – этого ненасытного «звездного каннибала» – станет еще пустыннее.
Почему звезды убегают из нашей Галактики?
Наша Галактика объединяет миллиарды звезд. Кажется, что все они, подобно Солнцу, движутся по раз и навсегда заведенным путям. Однако этот порядок обманчив. Среди обитателей Галактики, которые и впрямь не сворачивают со своих предначертанных орбит, есть странные создания, стремящиеся нарушить любые законы. Словно не довольствуясь своим положением в Галактике, они норовят покинуть ее. Какая-то таинственная сила в далеком прошлом погнала их, и, похоже, ничто не может их удержать. С неуклонным упорством они пытаются выскользнуть из Млечного Пути, скатиться далеко на его обочину.
Астрономы долго спорили о том, могут ли звезды покидать свое родное семейство и, подобно мореплавателям, пустившимся в путь через океан, дрейфовать по межгалактическим просторам в направлении какой-нибудь соседней галактики. Эти дискуссии продолжались до 2005 года, когда наконец удалось обнаружить первого космического «мигранта». Это была звезда в созвездии Гидры. С невиданной прежде скоростью она пересекала отдаленную область Млечного Пути, расположенную на расстоянии 200 тысяч световых лет от нашей планеты. Американский астроном Уоррен Браун, открывший эту беглянку, назвал ее «отверженной».
Но легко ли отринуть от себя власть этого сверкающего сонма звезд и устремиться навстречу тьме? Пули, вылетая из ствола автомата Калашникова, мчатся со скоростью около километра в секунду. На просторах космоса они напоминали бы улиток, вяло переползающих с одной половины листа на другую. Чтобы преодолеть силу земного тяготения, космические ракеты вынуждены разгоняться до 11,2 километра в секунду. Межпланетные зонды, если им доведется достигнуть границ Солнечной системы, вынуждены двигаться со скоростью более 40 километров в секунду, чтобы покинуть ее. С какой же скоростью должны мчаться звезды, чтобы преодолеть силу притяжения громадной галактики? Пожалуй, что в десятки раз быстрее, чем объекты, порывающие со своей планетной системой.
Среди обитателей галактик есть странные создания, стремящиеся нарушить любые законы
Когда Браун и его коллеги измерили скорость движения «отверженной» звезды, полученный результат не мог не удивить астрономов: не менее 709 километров в секунду, или 2,5 миллиона километров в час. Исследователи убеждены, что, разогнавшись до такой скорости, она рано или поздно покинет наш Млечный Путь. Астрономы уже дали название новому классу звезд – звезд-парий, не находящих себе место в родной галактике. Их окрестили «гипербыстрыми звездами».
Что же побудило их двигаться в этом головокружительном темпе? Еще в 1988 году астрофизик Джек Хиллс из Лос-Аламосской лаборатории показал, что, с теоретической точки зрения, подобные темпы передвижения звезд вполне возможны. В своей компьютерной модели он исследовал процессы, протекающие в центральной части Млечного Пути. Как мы знаем теперь, там располагается громадная черная дыра. Если к этому гравитационному монстру приблизится двойная звезда, то под действием силы его притяжения она будет разорвана на две части. Одна звезда соскользнет, как в пучину, в недра черной дыры, в то время как другая будет выброшена, словно из катапульты, в космическую даль. Расчеты показали, что отскочившая от черной дыры как от стены звезда может разогнаться до скорости 4000 километров в секунду.
Похоже, отверженная звезда SDSS J090745 + 0024507, обнаруженная Брауном, подтверждает эту гипотезу. С огромной скоростью, наперерез всем другим орбитам, она спешит умчаться прочь от черной дыры – этого космического «хищника», поглотившего ее напарницу. Но насколько часто в космосе случаются подобные события? Имеем ли мы дело с отдельными париями или с целой кастой (точнее, классом) звезд, «уносящих ноги» от чудовища, едва не подстерегшего их?
Вот уже несколько лет астрономы ведут поиски гипербыстрых звезд. Эти «безродные эмигранты» редки, как едва ли какой другой небесный объект. По первоначальным оценкам Уоррена Брауна, на 100 миллиардов звезд нашей Галактики приходится лишь тысяча гипербыстрых звезд. Одна из них – голубой гигант HE 0437–5439. Сейчас эта звезда находится уже на окраине Млечного Пути, на расстоянии «всего» 65 тысяч световых лет от Большого Магелланова Облака. Ее скорость также составляет около 2,5 миллиона километров в час. По оценке Брауна, она движется примерно вдвое быстрее, чем нужно, чтобы преодолеть силу притяжения нашей Галактики.
Это открытие, впрочем, сразу озадачило ученых. Расчеты показывают, что этой звезде потребовалось бы примерно 100 миллионов лет, чтобы добраться из галактического центра, где она когда-то пребывала, туда, где находится сейчас. Однако столь массивные звезды обычно выгорают уже через 20 миллионов лет.
Как предположили астрономы, первоначально эта звезда была частью тройной звездной системы, которая приблизилась к черной дыре, притаившейся в центре Млечного Пути, и здесь, под действием силы ее притяжения, распалась. Одна из звезд была поглощена черной дырой, а две другие выброшены далеко на периферию Галактики. Впрочем, они не разлетелись в разные стороны. С этого времени их судьбы оказались еще более тесно связаны, чем прежде. Во время этой коллизии одна из звезд поглотила другую и превратилась в голубого гиганта.
Коллеги Брауна все же не берутся уверенно утверждать, что этой звезде удастся покинуть Млечный Путь. Так же обстоит дело и с некоторыми другими «кандидатами на вылет». Астрономы не всегда могут точно оценить положение той или иной отдаленной звезды. А ведь от этого зависит расстояние, которое требуется ей преодолеть, противясь силе притяжения Галактики. Скорость большинства звезд Млечного Пути тоже неизвестна. Обычно астрономы вычисляют лишь так называемую радиальную скорость движения, то есть ту составляющую скорости, которая характеризует, как быстро эта звезда перемещается вдоль направления, в котором мы ее видим. Наконец, нам неизвестно значение важнейшей величины, которая и определяет судьбы всех звезд. Мы не представляем себе точной массы Млечного Пути. А ведь чем она больше, тем быстрее должны двигаться звезды, чтобы «порвать со своим прошлым» и покинуть Галактику.
Как мы теперь знаем, большую часть массы Млечного Пути составляет масса темного вещества. Определить ее можно лишь по косвенным признакам. Как отмечал в 2010 году на страницах «Astrophysical Journal» немецкий астрофизик Норберт Пшибилла, «астрономы продолжают оживленно обсуждать количество темного вещества, которое содержит Млечный Путь». Вполне возможно, что масса Млечного Пути попросту недооценивается. Так, по расчетам Пшибиллы, опубликованным в том же журнале, Млечный Путь весит не менее 1,8 триллиона солнечных масс – почти вдвое больше, чем считают многие исследователи.
Что может значить эта поправка для всех небесных тел, которые намерены «эмигрировать» из нашей Галактики? Пока, по данным на апрель 2011 года, астрономы выявили 17 гипербыстрых звезд, готовых решительно порвать со своей родиной. Удастся ли им их побег? Это зависит от точного значения массы Млечного Пути. Возможно, некоторым из этих звезд, несмотря на все их старания, так и не достанет сил вырваться на «окологалактическую» орбиту.
В свою очередь, наблюдения за центральной частью Галактики позволят ученым понять, справедлив ли сценарий, объясняющий, почему некоторые звезды движутся так быстро. Действительно ли черная дыра, расположенная там, разбрасывает звезды во все стороны от Галактики, как предполагают астрономы?
Шаровые звездные скопления, «космические мафусаилы»
Долгое время астрономы пытались понять природу загадочных округлых пятен, впервые замеченных на ночном небосводе в 1665 году. Лишь более ста лет спустя, в 1782 году, Уильям Гершель пришел к выводу, что это – сферические скопления звезд. Он же дал им название Globular Cluster, «шаровые скопления».
В ХХ веке число шаровых скоплений, обнаруженных в гало Млечного Пути, стало стремительно расти. Сейчас их известно более полутора сотен. Еще от 10 до 50 подобных скоплений, как полагают астрономы, скрывается пока за пеленой газа и пыли. Кроме того, обнаружены тысячи шаровых скоплений, расположенных в других галактиках. Самое дальнее находится в галактике NGC 3311, на расстоянии свыше 150 миллионов световых лет от Земли.
Даже при наблюдении в небольшой телескоп шаровые скопления кажутся лишь слегка размытыми пятнами. Только в мощный телескоп их можно увидеть во всем великолепии. Подобные объекты насчитывают от 100 тысяч до миллиона звезд, образующих сферу, которая достигает в поперечнике всего нескольких десятков световых лет.
Шаровые скопления часто именуют «космическими мафусаилами». Это – старейшие объекты нашей Галактики, они образовались одновременно с ней и могут немало поведать о ее далеком прошлом. У них своя бурная история, тайны которой астрономы только начинают разгадывать.
До конца 1970-х годов ученые полагали, что эти скопления очень однообразны и что звезды распределены в них равномерно. Их считали статичными и стабильными объектами. Однако в последние два десятилетия наши представления о них решительно изменились. Наблюдения показали, что внутри шаровых скоплений протекают очень динамичные процессы. Звезды здесь нередко сталкиваются, а то и буквально «пожирают» друг друга. Ведь даже на периферии шарового скопления плотность их расположения в десятки раз выше, чем в окрестностях Солнечной системы; в центральной же части – в миллионы раз выше. Если бы там оказалась Земля, то на ее ночном небосводе пылало бы 10 тысяч таких же ярких звезд, как Сириус, причем часть их была бы видна даже в дневные часы. Все эти звезды находились бы ближе к нашей планете, нежели Проксима Центавра, ближайшая к Солнцу звезда (расстояние между ней и Солнцем составляет 4,3 световых года).
Обращаясь вокруг галактического центра, шаровые скопления испытывают приливные воздействия со стороны галактики – подобно тому, как их испытывает Луна, кружащая возле Земли. Жертвами этого становятся, прежде всего, звезды, расположенные на периферии скопления. Они покидают его.
Шаровое звездное скопление Omega Centauri
Так, наблюдая с помощью Очень большого телескопа, сооруженного на севере Чили, за шаровым скоплением М 12, которое находится на расстоянии 16 тысяч световых лет от Солнечной системы, астрономы убедились, что там гораздо меньше легких звезд, чем ожидалось. По-видимому, почти все пребывавшие на периферии небольшие звезды, чья масса составляла не более трети массы Солнца, покинули свою звездную систему и вошли в состав Млечного Пути. С похожим явлением исследователи столкнулись, наблюдая за шаровыми скоплениями NGC 6218 и NGC 2298 возрастом около 12 миллиардов лет. Впрочем, по оценке астрономов, пройдет еще 30 миллиардов лет, прежде чем эти объекты окончательно исчезнут.
Дело, кстати, не ограничивается похищением отдельных звезд. Под действием приливных сил шаровые скопления могут просто разорваться, как явствует из расчетов, проделанных еще в 1960-е годы. Наблюдения последних лет подтвердили эту гипотезу. Остатки подобных скоплений астрономы не раз обнаруживали в Млечном Пути. Всего же, по их оценке, в одной только нашей Галактике распалось от 350 до тысячи с лишним шаровых скоплений, когда-то входивших в ее состав.
Может статься, что многие шаровые скопления являются… «ненастоящими». Это – остатки карликовых галактик, поглощенных более крупными звездными системами. Во время подобных катастроф эти галактики лишались всех своих звезд, находившихся на периферии, а из их центральных областей формировались шаровые звездные скопления. В пользу этой гипотезы говорит то, что некоторые скопления очень неоднородны. Их звезды – в отличие от звезд, составляющих подлинные шаровые скопления, – заметно разнятся и по своему возрасту, и по химическому составу.
Один из самых известных тому примеров – шаровое скопление Omega Centauri, наиболее яркое и массивное скопление Млечного Пути, расположенное в созвездии Центавра (Кентавра). Оно состоит из двух популяций звезд, чего в обычных шаровых скоплениях не наблюдается. Примерно четверть звезд здесь окрашены в голубые тона, остальные – в красные. Вопреки ожиданиям ученых, эти голубые звезды содержат больше тяжелых элементов, чем красные. Это тоже неожиданность, ведь обычно звезды, обогащенные тяжелыми элементами, окрашены именно в красные цвета.
Астроном Джанпаоло Пиотто из Падуанского университета, объясняя эти странные наблюдения, предположил, что голубые звезды в этом шаровом скоплении, образовавшемся всего через один-два миллиарда лет после Большого взрыва, содержат в полтора раза больше гелия, чем красные. Расчеты показали, что в таком случае они должны состоять на 39 % из гелия. Поразительная концентрация – особенно если вспомнить, что сразу после Большого взрыва наша Вселенная содержала лишь 24 % гелия. К слову, в Млечном Пути за 8 с лишним миллиардов лет, прошедших от начала формирования этой галактики до появления Солнца, количество гелия, содержащегося в недрах звезд, тоже возросло, но не так значительно: с 24 до 28 %.
Сейчас Млечный Путь продолжает пополняться новыми шаровыми скоплениями, ведь он поглощает карликовую галактику Сагитариус, расположенную в созвездии Стрельца. Четыре шаровых скопления, принадлежавших Сагитариусу, уже перешли в состав нашей Галактики.
Очевидно, вследствие космического «каннибализма» появился и особый тип шаровых скоплений – громадные звездные системы, протянувшиеся на несколько сотен световых лет. Их плотность в 100 раз меньше, чем плотность обычных шаровых скоплений. Подобные объекты обнаружили в 2005 году в туманности Андромеды. Они располагаются в сферическом гало, окружающем соседнюю галактику, на расстоянии около 200 тысяч световых лет от ее центра. В принципе, они занимают промежуточное положение между шаровым скоплением и карликовой шаровидной галактикой. Ученые пока не могут объяснить, как образовались эти объекты. Непонятно также, почему подобных нет в составе нашей Галактики. И, спрашивается, можно ли найти такие скопления в других галактиках?
…Астрономы привыкли считать шаровые скопления очень скучными объектами. Более всего они напоминали им гвардейские части, выстроенные на парад: вот они, «солдаты Вселенной», все, как на подбор, одного возраста и роста, все в одинаковых мундирах, все оцепенело застыли. Кажется, сколько ни всматривайся в них, ничего необычного не увидишь. Вот и в шаровых скоплениях, как на строевом плацу, ничего неожиданного, казалось бы, не обнаружить. Несколько сотен тысяч звезд одного возраста, одного химического состава, кружат, как заведенные, по небосводу, и вот уже миллиарды лет этот космический механизм не дает никаких сбоев. Все повторяется, повторяется. Однако наблюдения последних лет показывают, что эти расхожие представления ошибочны. Стандартную теорию возникновения шаровых скоплений, похоже, придется пересмотреть.
Происхождение шаровых скоплений
Шаровые скопления долгое время считались реликтами, оставшимися от ранней эпохи Вселенной. Сценарий их появления был следующим. Когда под действием собственной силы тяжести гигантские облака первородного газа, заполнявшие космос, сжимались, то из отдельных уплотнений, образовавшихся вокруг будущих галактик, стали возникать шаровые звездные скопления. Их траектории еще и сегодня очерчивают контуры тех облаков газа.
Однако этот сценарий, как понятно теперь, верен отнюдь не полностью. И даже не наполовину. Компьютерные модели и результаты наблюдений, проводимых с помощью новейших телескопов, заставляют по-новому взглянуть на происхождение шаровых скоплений и их природу. Процессы, протекавшие во Вселенной в далеком прошлом, оказались значительно сложнее строгой схемы.
Еще недавно принято было считать, что все шаровые скопления, как счастливые семьи, похожи друг на друга. Теперь становится ясно, что эти объекты очень неоднородны. Они могут возникать по-разному. В одних случаях формируются сразу, целиком, в других – за счет слияния отдельных небольших звездных систем. Они заметно разнятся по своей массе, химическому составу, плотности и даже возрасту. Шаровые скопления нельзя называть лишь «наследием далекого прошлого Вселенной». Похоже, они образуются в галактиках по сей день.
Еще в 1975 году канадский астроном Сидней ван ден Берг обнаружил в Большом Магеллановом Облаке пару шаровых скоплений, которые заметно моложе, чем другие скопления в этой соседней галактике. Их возраст – около 3 миллиардов лет.
В 1990-е годы у астрономов сложилась уверенность в том, что есть два класса шаровых скоплений. Одни из них окрашены в голубой цвет, другие – в красный. Их окраска указывает на то, что они образовались в разное время и что механизм формирования их разнится.
По всей видимости, голубые шаровые скопления возникли очень давно, вскоре после Большого взрыва. Возраст древнейших звезд в них – от 12 до 13 миллиардов лет. Они формировались в локальных уплотнениях первородного газа, почти равномерно растекавшегося по Вселенной.
Уже в ту далекую эпоху она была заполнена не только газом, но и загадочным темным веществом, которое состоит из не известных науке элементарных частиц. По оценке космолога Джеймса Пиблса из Принстонского университета, вскоре после Большого взрыва в нашей Галактике образовались облака, содержавшие до 100 миллионов солнечных масс темного вещества и нескольких миллионов солнечных масс водорода и гелия. Но, к удивлению астрономов, в то время как в гало различных галактик, в том числе и карликовых галактик, содержится большое количество темного вещества, в шаровых скоплениях его по неизвестной причине не обнаруживают.