Дмитрий Вибе: Вселенские старые девы

Наблюдатели наконец-то увидели в дальней Вселенной догалактическое вещество - гигантские водородные облака, в которых ещё не начинали рождаться звёзды. Правда, не совсем там, где надо.

В научной фантастике наряду с настоящей машиной времени упоминается иногда её облегчённый вариант — устройство, позволяющее просматривать события, происходившие в далёком прошлом. Вселенная в каком-то смысле сама является таким устройством: из-за конечности скорости света мы видим объекты такими, какими они "в реальности" были некоторое время назад. Даже монитор передо мной я вижу с некоторым запаздыванием по времени. Что уж говорить об астрономических объектах! Совершенно иные масштабы времени.

Правда, и темп жизни совершенно иной. Например, Туманность Андромеды предстаёт перед нами такой, какой она была два с лишним миллиона лет назад. С точки зрения человека это ужасно много, но для галактики это пустяк. Можно смело утверждать, что внешний вид Туманности Андромеды не слишком изменился, пока к нам летел тот свет её звёзд, что мы видим сегодня. Но это ближайшая к нам крупная галактика, облик которой минимально отодвинут в прошлое. Логично ожидать, что мы, проникая на всё большие расстояния, рано или поздно начнём видеть галактики другими, более молодыми. Например, найдём галактику, похожую на нашу, и узнаем, как выглядел Млечный Путь, скажем, пять миллиардов лет назад, когда родилось Солнце.

Беда в том, что оценить степень похожести, особенно на большом расстоянии, довольно сложно. Я уже писал как-то, что даже такие внешне подобные галактики, как Млечный Путь и Туманность Андромеды, обладают весьма различными историями. Это означает, что в поисках молодого аналога Млечного Пути (или молодого аналога любой другой современной галактики) нельзя ориентироваться на какой-то один параметр, например на массу или размер.

Это затрудняет взгляд в прошлое нашей Галактики, но и обратное тоже верно: часто бывает так, что и для далёких (существовавших некогда) галактик определённого вида не удаётся подыскать местный (современный) аналог. То ли галактики этого вида перестали существовать, то ли изменились до неузнаваемости. А может быть, их попросту мало во Вселенной, и рядом с нами не оказалось ни одной такой системы.

Гораздо внятнее ситуация выглядит, когда в расчёт берутся не параметры отдельной галактики, а средние параметры для конкретных категорий галактик или даже для всего галактического населения. В этом случае эволюционные изменения проявляются вполне наглядно. Видно, например, как на протяжении последних миллиардов лет неуклонно снижается суммарный темп звёздообразования, что ожидаемо — исчерпываются запасы газа. А вот размер галактик данной массы со временем, напротив, увеличивается. С удалением в прошлое увеличивается доля взаимодействующих галактик, а форма галактик становится более неправильной.

Эти изменения худо-бедно объяснимы с точки зрения постепенного "взросления" и даже "старения" галактического ансамбля. Кажется, ещё чуть-чуть, и мы проследим эволюцию галактик до самого начала и шагнём в эпоху, когда галактик ещё не было. Но вот странность: телескопы становятся всё мощнее, приёмники — всё чувствительнее, мы заглядываем всё дальше в прошлое, но галактики там всё есть и есть.

Неудивительно поэтому, что журнал Science одной из самых значимых публикаций 2011 года назвал статью Микеле Фумагалли (Университет Калифорнии а Санта-Крузе, США) с соавторами, посвящённую обнаружению в дальней Вселенной межгалактических газовых облаков, состоящих только из водорода и гелия, то есть не загрязнённых тяжёлыми элементами.

Вообще, прежде чем жаловаться, что мы не видим догалактических облаков, нужно понять, что именно следует искать. Как именно должно выглядеть то, что потом станет галактикой? Понятно, что в нём не должно быть ни звёзд, ни тем более продуктов звёздной эволюции, а только водород и гелий. Но водород в обычных условиях светится лишь в радиолинии на длине волны 21 см, которая слишком слаба, чтобы её можно было наблюдать на таких расстояниях (разве только удастся вооружиться очень большой антенной). Получается, что догалактические облака ненаблюдаемы в принципе?

Не совсем. Если что-то не светится само, его можно заметить благодаря тому, что оно мешает светить другим. Широко распространённый метод исследования газа в окологалактическом и межгалактическом пространстве состоит в анализе систем линий поглощения в спектрах далёких квазаров. Сам квазар выступает в этом случае в роли фонарика, который светит на межгалактические облака сзади. Вещество облака поглощает часть излучения квазара, и в его спектре появляются линии поглощения тех химических элементов, которым случилось попасть в соответствующее облако.

Фумагалли с коллегами нашли два газовых облака, попавших на луч зрения между нами и парой квазаров, которые добавили в спектры квазаров только линии поглощения водорода и (в одном из двух случаев) дейтерия. Ни углерода, ни кремния, ни магния. Только водород и дейтерий, причём в пропорциях, предсказанных теорией первичного нуклеосинтеза. Этих облаков не коснулась звёздная эволюция, но можно ли считать их догалактическими? Вряд ли! Во-первых, они недостаточно массивны (всего порядка миллиона солнечных масс). Во-вторых, они видны в свете более далёкого квазара, а квазар — это активное ядро галактики, которая во времени существовала раньше этих облаков.

Ещё одно похожее открытие попало в новости совсем недавно. Себастьяно Канталупо (Кембриджский университет, Великобритания) и его коллеги решили всё-таки зафиксировать собственное излучение водородных облаков, но не радио, а видимое. Если не очень далеко от облака находится мощный источник ультрафиолетового излучения — опять же квазар, это излучение заставит водород в облаке флуоресцировать, переизлучая поглощённое излучение в более длинноволновом диапазоне.

Водородные облака, исследовавшиеся Канталупо и его соавторами, светятся (точнее, светились) в линии Лайман-альфа. Это тоже ультрафиолет (1216 ангстрем), но из-за красного смещения линия переезжает в видимый диапазон и её можно наблюдать при помощи наземного телескопа. Таких флуоресцирующих облаков наблюдатели нашли около сотни, и в десятке случаев им удалось показать, что свечение водорода в облаке вызвано только облучением квазара, а внутренних источников (собственных звёзд) в нём нет. При этом облака обладают солидными массами — в миллиард солнц. Это примерно то, что мы ожидали бы увидеть в догалактических облаках. Но существенно раньше, а не в окрестностях уже существующего квазара!

И облака Фумагалли, и облака Канталупо не предшествуют галактикам, но сосуществуют с ними в одну и ту же эпоху, примерно через два-три миллиарда лет после Большого Взрыва. Что-то заставило их соблюсти себя в строгости и невзрачности, в то время как другие облака вовсю превращались в галактики и обзаводились звёздным потомством (нужно отметить, что возможность существования таких "спящих галактик" предсказывалась уже давно). Почему же одни облака превращаются в звёзды, а другие на многие миллиарды лет остаются в девицах?

И ещё один вопрос: остаются ли они пассивными навечно, или же их переход в галактики лишь задерживается, но не отменяется совсем? Во втором случае интересно поискать эти запоздавшие галактики вокруг нас. И они, кажется, существуют! И вблизи, и вдалеке от нас есть галактики-карлики с низким содержанием тяжёлых элементов. Их массы близки к массам облаков Фумагалли, а возраст (как будто бы) существенно меньше возраста Млечного Пути. Значит, сон межгалактических водородных облаков всё-таки не вечен. Миллиарды лет они темны и потому почти незаметны, но потом что-то возмущает их спокойствие, и они начинают обычную галактическую жизнь. А нам остаётся только смотреть на них и радоваться, что благодаря этой задержке мы можем наблюдать молодость галактик в наших непосредственных окрестностях.

Не всё ладно с этой радостью, но об этом как-нибудь в другой раз.