Новая карта «пустого» космоса оспаривает представление о спокойной Галактике

Десятилетиями астрономы считали межзвёздную среду неподвижным фоном космических событий. Появление трёхмерных карт помогает раскрыть её изменчивую природу

Может показаться, что космос совершенно пуст. Но эту кажущуюся пустоту заполняет едва уловимый туман из водорода и других нейтральных атомов. В 2020 году аппарат НАСА New Horizons, уже пересёкший орбиту Плутона, измерил показатель, по которому можно оценить количество водорода вокруг него. В межзвёздной среде нашей Галактики аппарат обнаружил около 130 атомов водорода на литр пространства.

Этот водород, а также часть гелия и других молекул в основном сохранились со времён Большого взрыва. Запасы вещества постоянно пополняются благодаря космическим процессам: например, при рождении звёзды выбрасывают струи газа и пыли, а в конце жизни сбрасывают внешние оболочки.

Межзвёздная среда крайне разрежена и меняется очень медленно. Поэтому на протяжении последних пятидесяти лет астрономы почти не изучали её устройство, считая её неподвижным фоном для более ярких событий во Вселенной.

Однако почти пустое пространство оказалось сложнее, чем представлялось прежде.

За последние несколько лет астрофизики существенно пересмотрели свои взгляды на межзвёздную среду. Новые карты, охватывающие тысячи световых лет Галактики, показали, что она отнюдь не так спокойна и неизменна, как считалось. Напротив, значительная её часть, по всей видимости, находится в неустойчивом состоянии. Этот вывод противоречит основным теоретическим моделям, изложенным в учебниках. Неожиданное открытие может приблизить учёных к ответу на давний вопрос о скорости образования звёзд.

Горячее и холодное

В 1969 году Джордж Филд, Дональд Голдсмит и Харм Хабинг предложили модель поведения межзвёздной среды. По их предположению, она существует в двух устойчивых состояниях: холодном и тёплом.

Газ и пыль, перемещаясь в пространстве, под действием гравитации притягивают дополнительное вещество и постепенно образуют облако. Такие облака обычно охлаждаются: быстро движущиеся молекулы сталкиваются с другими молекулами и теряют энергию. Их температура держится около 100 кельвинов, или примерно минус 173 градусов Цельсия.

Иногда, однако, газ и пыль слишком горячи, чтобы сжаться в холодное облако, и вместо него образуют разреженное. Оно гораздо сильнее подвержено влиянию соседних звёзд, которые передают ему энергию в виде ультрафиолетового излучения. Благодаря этому температура облака остаётся примерно на уровне 8000 кельвинов.

Учёные полагали, что атомы межзвёздной среды практически мгновенно переходят в одно из двух состояний — холодное или тёплое, — и лишь ничтожная часть вещества остаётся в неустойчивом промежуточном состоянии.

В 1977 году Крис Макки и Джеремайя Острикер дополнили эту картину третьей фазой: на фронтах ударных волн сверхновых газ может нагреваться ещё сильнее и превращаться в раскалённую плазму с температурой около полумиллиона кельвинов. Но и расширенная модель исходила из того, что за пределами областей взрывов атомарный газ достигает спокойного состояния с уравновешенным давлением.

Проверить теорию оказалось непросто. Холодный атомарный водород не излучает видимый свет. Проще всего обнаружить его, зарегистрировав редкий атомный переход: электрон и протон в атоме водорода иногда переходят между двумя возможными состояниями. При этом испускается слабая радиоволна длиной 21 сантиметр.

Уже более 70 лет астрономы направляют радиотелескопы в небо, чтобы уловить эти едва различимые сигналы. Однако при наблюдении с Земли вдоль одной линии зрения сигналы от перекрывающихся облаков смешиваются. Разобраться в них так же трудно, как различить отдельные слои в стопке полупрозрачных цветных пластиковых листов.

Лишь в последние годы, благодаря новым космическим телескопам, астрономы смогли изучить пространство между звёздами достаточно подробно, чтобы разделить эти слои.

Подарок «Гайи»

Запущенный в 2013 году телескоп «Гайя» открыл новые возможности для изучения межзвёздной среды, предоставив учёным трёхмерную карту звёзд в окрестностях Солнца.

Один из приёмов, использованных при создании карты, можно проверить самостоятельно. Поднимите большой палец перед лицом и поочерёдно закрывайте левый и правый глаз. Палец будет словно смещаться относительно предметов на заднем плане. Чем ближе он к лицу, тем заметнее изменение его видимого положения. Это явление называют параллаксом.

«Гайя» наблюдала почти два миллиарда звёзд под разными углами по мере ежегодного движения Земли вокруг Солнца. Измеряя параллакс, исследователи смогли определить расстояния до этих звёзд.

Затем учёные изучили, как звёздный свет ослабевал и краснел, проходя через межзвёздную среду на пути к телескопу. Объединив наблюдения в разных направлениях с расстояниями, рассчитанными по параллаксу, они получили более полное представление о распределении плотности пыли между звёздами.

Но превратить эти сведения в трёхмерную карту межзвёздной среды было непросто. Как объясняет Грегори Грин, астроном из Университета Вестлейк в китайском Ханчжоу, одним и тем же данным может соответствовать множество вариантов устройства среды. Дополнительные наблюдения помогали сузить круг возможностей, но одновременно усложняли вычисления. По словам Грина, задача состояла в выборе наиболее физически правдоподобной конфигурации, когда лежащие в её основе расчёты «становятся невозможно сложными».

За последнее десятилетие Грин и другие исследователи разработали сложные статистические методы для решения этой задачи. В 2024 году другая группа применила эти инструменты и создала непрерывную трёхмерную карту плотности межзвёздной пыли в пределах сферы диаметром более 4000 световых лет вокруг Солнца.

Карта позволила увидеть, где сосредоточена межзвёздная пыль, и обнаружить плотные облака, рассеянные между звёздами. Но определить температуру среды с её помощью было нельзя. Чтобы изучить весь диапазон температур, исследователям понадобилась вторая карта — показывающая, как нагревается среда. Она нашлась благодаря неожиданному знакомству.

В постоянном движении

Джонатан Шелест, студент Техниона в израильской Хайфе, вспоминает астрофизический семинар 2024 года. Тогда его преподаватель Шмуэль Биали показал студентам снимки гигантских структур из газа и пыли, похожих на Столпы Творения. «Мне нравится представлять геометрию всего, что существует, — сказал Шелест. — Поэтому было совершенно естественно начать воображать всю эту динамику, всю структуру, красоту и богатство».

Сразу после занятия Шелест написал Биали и попросил принять его в исследовательскую группу. По счастливому совпадению преподаватель незадолго до этого начал искать студента, который занялся бы изучением межзвёздной среды с помощью трёхмерных карт. Так началось их сотрудничество.

В распоряжении Шелеста уже была карта межзвёздной пыли. Её планировалось совместить с картой ультрафиолетового излучения, нагревающего межзвёздную среду.

Нужная карта нашлась, когда Биали разговорился на конференции с астрофизиком Троем Портером из Стэнфордского университета. Портер уже составил её, но ещё не опубликовал.

Шелест, Биали и их коллеги приступили к объединению 200 гигабайт данных из двух карт. В каждой точке пространства они сопоставляли плотность пыли с интенсивностью излучения, чтобы определить, какие области межзвёздной среды горячие, а какие холодные. В итоге сведения о пыли и излучении удалось совместить на единой трёхмерной сетке.

После этого Шелест принялся изучать полученную карту. Главное открытие ждало его при анализе общего распределения температур. Выяснилось, что в наших галактических окрестностях 27 процентов межзвёздной среды находятся в холодном состоянии, 32 процента — в тёплом, а оставшиеся 41 процент приходятся на запрещённую область неустойчивого промежуточного состояния. «Я подумал, что ошибся, — сказал Шелест. — Как можно прийти к научному руководителю и сообщить, что у тебя получилось столько неустойчивой среды?»

Тем не менее карта, похоже, работала корректно. Шелест не нашёл в трёхмерной сетке следов артефактов или случайного статистического шума. Напротив, неустойчивая среда формировала огромные связанные оболочки, целиком окружавшие холодные облака.

По мнению Адама Гинзбурга, астронома из Университета Флориды, обилие вещества с промежуточной температурой указывает на неполноту прежней теории. «Что-то воздействует на вещество, которое, согласно статической теории, должно находиться в одном из двух других состояний, перемешивает его и вынуждает переходить из одного состояния в другое».

Астрофизик из Университета Флориды Десика Нараянан сравнивает этот процесс с работой живого организма. «Подобно тому как кровь в вашем теле содержит продукты обмена веществ или кислород и переносит различные вещества из одного места в другое, — сказал он, — межзвёздная среда делает то же самое, только с энергией, и постоянно находится в состоянии изменений».

Осторожный подход

В июльский день 2026 года, когда группа опубликовала свою статью, почтовый ящик Шелеста наполнился письмами от заинтересованных астрономов и предложениями о сотрудничестве. И всё же исследователи призывают не спешить с пересмотром учебников.

По словам Макки, модель могла завысить долю неустойчивой межзвёздной среды, если холодные и тёплые области находились слишком близко друг к другу и она не могла их различить. Астрофизик Филипп Франк из Института астрофизики частиц и космологии Кавли при Стэнфордском университете указал на ещё один возможный источник ошибки — метод расчёта общего распределения газа и пыли. Исследователи применили «среднее по ансамблю», которое по своей природе склонно сглаживать резкие различия. Если холодное облако резко переходило в тёплое, метод мог искусственно превратить скачок плотности в плавный градиент и тем самым завысить долю неустойчивой среды.

Шелест и Биали, чья работа сейчас проходит рецензирование, признают, что ограниченное разрешение и сглаживание карт действительно создают проблемы. Однако, по их мнению, одним математическим размытием нельзя объяснить большую часть обнаруженной неустойчивой среды. Авторы отмечают, что при проверке модели на совершенно другой карте пыли с более низким разрешением её доля изменилась всего примерно на пять процентов.

Бурлящее звездообразование

Галактики превращают газ и пыль в звёзды на удивление неэффективно. Десятилетиями компьютерные модели не могли убедительно объяснить причину. Новая карта предлагает возможный ответ: звездообразованию препятствует непрерывный цикл нагрева и охлаждения, который постоянно приводит межзвёздную среду в движение.

«Причина чрезвычайно низкой эффективности звездообразования заключается в том, что обратная связь нагревает окружающий газ и оказывает на него давление», — сказала Анна Розен, астрофизик из Университета штата Калифорния в Сан-Диего. Постоянное перемешивание может объяснять, почему классические модели, рассматривающие межзвёздную среду как спокойную и равновесную, не вполне соответствуют действительности. По словам Розен, такие модели дают «физически обоснованные моментальные снимки» горячих и холодных областей, «но между этими снимками продолжает происходить множество событий».

 

Источник