Космос: криза середнього віку.

У Всесвіті все ще народжуються зорі та чорні діри. Протягом останніх 14 млрд років космічне будівництво поступово переміщується від великих галактик до малих. Упродовж першої половини життя Всесвіту в гігантських галактиках сформувалася величезна кількість зір і надмасивних чорних дір, які дають енергію яскравим квазарам (ліворуч). У другій половині життя активність гігантських галактик знизилася, але формування зір і чорних дір тривало в галактиках середнього розміру, таких як наш Чумацький Шлях (у центрі). У майбутньому основними осередками космічної активності стануть карликові галактики, кожна з яких містить лише кілька мільйонів зір (праворуч).

Донедавна більшість астрономів припускали, що Всесвіт вступив у свій доволі нудний середній вік. Вважалося, що рання історія Всесвіту (приблизно до 6 млрд років після Великого вибуху) була епохою космічного феєрверка: галактики стикалися і зливалися, величезні чорні діри всмоктували стрімкі вихори газу, народжувалася велика кількість зір. Але протягом наступних 8 млрд років злиття галактик почало слабшати, гігантські чорні діри заспокоїлися, а формування зір сповільнилося. Багато астрономів були переконані, що настає кінець космічної історії і в майбутньому на нас чекає нескінченне розширення спокійного Всесвіту, що старіє.

Нові спостереження показують, що повідомлення про майбутню смерть Всесвіту були сильно перебільшені.

Але спостереження останніх років показали, що повідомлення про кончину Всесвіту перебільшені. Завдяки новим космічним обсерваторіям та оснащенню наземних телескопів сучасними приладами астрономи виявили, що близькі до нас галактики були дуже активними в недавньому минулому. (Оскільки світло від віддаленіших галактик іде до нас довше, ми спостерігаємо їх на раннішій стадії розвитку.) Рентгенівське випромінювання ядер відносно близьких до нас галактик показало, що там приховані надзвичайно масивні чорні діри, які досі поглинають навколишній газ і пил. А під час детальнішого вивчення світла, випроміненого галактиками різного віку, з’ясувалося, що темп формування зір не зменшується так швидко, як вважалося раніше.

Стало зрозуміло, що в ранньому Всесвіті домінували нечисленні гігантські галактики, які містили колосальні чорні діри й демонстрували спалахи зореутворення. У сучасному ж Всесвіті формування зір та акреція речовини на чорні діри відбуваються повсюдно, зокрема і в численних середніх та малих галактиках.

Глибокі знімки

Щоб відновити історію Всесвіту, астрономи спочатку мають зрозуміти сенс того разючого розмаїття об’єктів, які вони спостерігають. Наші найточніші оптичні уявлення про Всесвіт з’явилися завдяки роботі космічного телескопа «Габбл». На глибоких знімках двох крихітних ділянок неба, отриманих апаратом із десятидобовою експозицією через чотири кольорові фільтри, учені виявили тисячі далеких галактик, найстаріша з яких утворилася лише через 1 млрд років після Великого вибуху. А на найновіших надглибоких знімках «Габбла» видимість ще краща. Астрономи хочуть дізнатися, як найстаріші й найдальші об’єкти перетворилися на сучасні галактики. Зрозуміти зв’язок теперішнього з минулим — одне з основних завдань сучасної астрономії.

Важливим кроком стане розроблення космічної стратиграфії — з’ясування того, які об’єкти серед тисяч галактик на глибокому знімку розташовані до нас ближче, а які далі. Стандартний спосіб розв’язати це завдання — отримати спектр кожної галактики та виміряти його червоне зміщення. Через розширення Всесвіту лінії в спектрі далеких джерел зміщені в червоний бік: що сильніше зміщені лінії, то далі від нас джерело в просторі й часі. Наприклад, одиничне червоне зміщення означає, що довжина хвилі зросла на 100%, тобто збільшилася вдвічі. Світло від такого об’єкта було випромінене приблизно через 6 млн років після Великого вибуху, що становить менше половини віку Всесвіту. Насправді астрономи вказують глибину минулого не в одиницях часу, а в одиницях червоного зміщення, оскільки безпосередньо вимірюється саме воно.

Визначення червоних зміщень — надійний спосіб відновити космічну історію, але на найглибших знімках практично неможливо виміряти червоне зміщення всіх галактик. По-перше, їх надзвичайно багато. Але ще важливіше те, що деякі галактики надзвичайно слабкі, їхнє тьмяне світло складається з одного фотона за хвилину на квадратний сантиметр. Коли отримують спектр галактики, дифракційна ґратка спектрографа розсіює це тьмяне світло по великій площі детектора, що робить сигнал на кожній довжині хвилі ще слабкішим.

Наприкінці 1980-х Леннокс Кюв’є (Lennox L. Cowie) з Астрономічного інституту Гавайського університету та Саймон Ліллі (Simon J. Lilly) з Технологічного інституту в Цюриху (Швейцарія) розробили новий метод, що дає змогу обійтися без складного вимірювання червоних зміщень. Вони фотографували небо через світлофільтри, які пропускають ультрафіолетове, зелене або червоне світло, а потім вимірювали яскравість галактик у кожному з цих діапазонів (див. рис). Таким чином, близькі галактики з молодими зорями виявлялися однаково яскравими в усіх трьох діапазонах.

Однак у спектрі такої галактики є різкий обрив відразу за ультрафіолетовим діапазоном, на довжині хвилі 912 ангстремів. Він виникає тому, що нейтральний водень усередині та навколо галактики поглинає випромінювання з коротшими довжинами хвиль. Оскільки світло від далеких галактик зміщене до червоного кінця спектра, обрив переміщується до довших хвиль. Якщо червоне зміщення достатньо велике, то галактика не буде видимою в ультрафіолетовому діапазоні, а якщо воно ще більше, то галактику не вдасться виявити і в зеленому діапазоні.

ЕВОЛЮЦІЯ ВСЕСВІТУ

Вивчаючи глибини простору, астрономи отримують відомості про минуле Всесвіту, оскільки світло від далеких об’єктів іде до нас довго. Понад 10,5 млрд років тому величезні галактики стикалися і зливалися, стимулюючи народження зір і появу газу на надмасивних чорних дірах. Активне народження зір і зростання чорних дір у ядрах галактик тривали й 8 – 10,5 млрд років тому. Потім активність чорних дір і зореутворення у великих галактиках почали згасати. Сьогодні зорі переважно народжуються в невеликих спіральних і неправильних галактиках.

Цим методом Кюв’є та Ліллі змогли розподілити галактики із зореутворенням за широкими інтервалами червоного зміщення, які приблизно вказують на їхній вік. У 1996 р. Чарльз Стейдел (Charles C. Steidel) з Каліфорнійського технологічного інституту та його співробітники використали цей метод, щоб виділити сотні давніх галактик, у яких формуються зорі, з червоним зміщенням близько 3, тобто з віком близько 2 млрд років після Великого вибуху. Контрольні спектри деяких із цих галактик, отримані за допомогою найпотужнішого десятиметрового телескопа «Кек» на Мауна-Кеа (Гаваї), підтвердили, що більшість із них справді має таке червоне зміщення.

Щойно червоне зміщення галактик виміряно, можна братися до реконструкції історії зореутворення. Зі спостережень найближчих галактик відомо, що за певний час на світ з’являється невелика кількість масивних і безліч маломасивних зір. На кожні 20 зір, подібних до Сонця, народжується одна зоря з масою в 10 разів більшою за сонячну.

Масивні зорі випромінюють ультрафіолетове та блакитне світло, тоді як зорі малої маси — жовте і червоне. Якщо червоне зміщення далекої галактики відоме, астрономи можуть визначити її справжній спектр (у її власній системі відліку). Тоді, вимірявши повне ультрафіолетове випромінювання галактики, дослідники можуть оцінити кількість масивних зір, які живуть лише кілька десятків мільйонів років — коротку мить за галактичними мірками. Якщо темп зореутворення сповільнюється, кількість масивних зір швидко зменшується, оскільки вони помирають невдовзі після свого народження. У нашій Галактиці, цілком пересічній сучасній спіральній системі, кількість спостережуваних масивних світил указує на те, що зорі формуються зі швидкістю кілька сонячних мас на рік. Однак у галактиках із великим червоним зміщенням темп народження зір у 10 разів вищий.

У ранньому Всесвіті за допомогою субміліметрової камери SCUBA на телескопі «Дж. К. Максвелл» обсерваторії Мауна-Кеа (Гаваї) було відкрито галактики надзвичайно високої світності. Яскрава пляма ліворуч — імовірно, давня, оповита пилом галактика, у якій зорі народжуються з частотою: понад 1 тис. сонць на рік.

Коли Кюв’є та Ліллі обчислили швидкості формування зір у всіх галактиках, які вони спостерігали, то дійшли разючого висновку, що у Всесвіті стався справжній демографічний вибух за червоного зміщення близько 1.

Зі сповільненням темпу зореутворення зменшується кількість масивних зір: вони помирають невдовзі після свого народження.

У 1996 р. П’єро Мадау (Piero Madau) з Каліфорнійського університету в Санта-Крус застосував метод, запропонований Кюв’є та Ліллі, до аналізу даних глибокого північного знімка, отриманого «Габблом». Дані виявилися ідеальними для такого дослідження завдяки дуже точному вимірюванню інтенсивності в чотирьох діапазонах спектра. Щоб уточнити історію формування зір у Всесвіті, Мадау об’єднав свої результати з даними оптичних спостережень для малих червоних зміщень. Він виявив, що інтенсивність формування зір досягала максимуму, коли вік Всесвіту становив приблизно 4–6 млрд років. Такий результат привів багатьох астрономів до висновку, що найкращі дні Всесвіту давно минули.

Поглинальна історія

Огляд галактик за допомогою оптичних телескопів не може виявити всі об’єкти, що існували в ранньому Всесвіті. Що далі галактика, то більше на неї впливає космологічне червоне зміщення. За достатньо великого зміщення ультрафіолетове й оптичне випромінювання галактики для земного спостерігача переміщується в інфрачервону частину спектра. Крім того, зоряне світло нагріває частинки пилу, що виникають унаслідок вибухів наднових та інших процесів і згодом перевипромінюють енергію в далекому інфрачервоному діапазоні. Світло далеких джерел, поглинуте й випромінене вже пилом у далекому ІЧ-діапазоні, через розширення Всесвіту зміщується ще далі — у субміліметровий діапазон. Тому яскраві джерела субміліметрового випромінювання часто вказують на місця інтенсивного формування зір.

До недавнього часу астрономам було важко проводити спостереження в субміліметровому діапазоні за допомогою наземних телескопів, оскільки водяна пара в атмосфері поглинає сигнали на цих хвилях. Але ситуація поліпшилася з уведенням у дію Матриці субміліметрових болометрів загального призначення (Submillimeter Common-User Bolometer Array — SCUBA), установленої на телескопі «Джеймс Клерк Максвелл» на Мауна-Кеа в 1997 р. (Розташована на висоті 4 км над рівнем моря, ця обсерваторія опинилася вище, ніж 97% атмосферної води.)

Кілька груп дослідників, одну з яких очолюю я, використовували SCUBA, щоб із високою чутливістю та великим охопленням неба шукати далекі закриті пилом джерела винятково високої світності. Оскільки кутова роздільна здатність досить низька, зображення галактик схожі на краплі (див. ілюстрацію вгорі). До того ж на знімку їх досить мало: навіть після багатьох годин експозиції на кожному зображенні, отриманому SCUBA, з’являється лише кілька джерел, але вони належать до найяскравіших галактик у Всесвіті. Важко повірити, але до появи Матриці субміліметрових болометрів загального призначення ми навіть не здогадувалися про існування таких потужних і далеких систем. Темп формування зір у них був у сотні разів вищий, ніж у сучасних галактиках, що є ще одним підтвердженням того, що раніше Всесвіт був набагато енергійнішим, ніж тепер.

ЕВОЛЮЦІЯ ВСЕСВІТУ

Для пошуку найдавніших галактик під час огляду неба астрономи використовують світлофільтри, що виділяють ультрафіолетову, зелену й червону ділянки спектра. Через розширення Всесвіту світло найдавніших галактик зміщується в червону область. Графік (угорі) показує, як досить велике червоне зміщення (близько 3) виводить випромінювання далекої галактики з ультрафіолетової області. У результаті зображення давньої галактики проявляється в червоному та зеленому фільтрах, але не в ультрафіолетовому (внизу).

Виявлені області зореутворення викликали сенсацію; але що, як ми раптом дізнаємося, що у Всесвіті існує й інша, прихована від нас активність? Наприклад, газ і пил у галактиках можуть закривати випромінювання дисків речовини, що обертається навколо надмасивних чорних дір (які важать у мільярди разів більше за Сонце). Вважають, що такі диски є джерелом енергії квазарів — надзвичайно потужних об’єктів, що мають велике червоне зміщення, а також енергії активних ядер у центрах багатьох близьких галактик. Оптичні дослідження 1980-х рр. показали, що через кілька мільярдів років після Великого вибуху квазарів було набагато більше, ніж активних галактичних ядер. Оскільки надмасивні чорні діри, що дають енергію далеким квазарам, неможливо зруйнувати, астрономи припустили, що багато близьких галактик мають містити мертві квазари, тобто чорні діри, які вичерпали «паливо».

Такі неактивні надмасивні чорні діри справді були знайдені за їхнім гравітаційним впливом на навколишні тіла. Зорі й газ продовжують обертатися навколо чорних дір, навіть коли речовина в них не засмоктується. У центрі нашої Галактики виявилася майже спляча чорна діра. Результати цих досліджень дозволили припустити, що більшість надмасивних чорних дір сформувалася ще в епоху квазарів, поглинувши в процесі бурхливого зростання всю речовину, що їх оточувала, а потім переставши світитися, коли запаси палива вичерпалися. Отже, активність квазарів, як і формування зір, була енергійнішою в далекому минулому, ще раз доводячи, що настали нудні часи.

Однак наш сценарій на цьому не вичерпується. Об’єднавши рентгенівські й оптичні спостереження, астрономи переглядають висновок про те, що більшість квазарів давно згасла. Важливо, що рентгенівське випромінювання, на відміну від видимого світла, може пройти крізь газ і пил, які закривають чорну діру. Земна ж атмосфера не пропускає рентгенівського випромінювання, тож у пошуках активних чорних дір астрономи покладаються на космічні телескопи на кшталт рентгенівських обсерваторій «Чандра» та «XMM/Ньютон».

У 2000 р. Леннокс Кюв’є, Річард Мушотскі (R.F. Mushotzky) із Центру космічних польотів імені Годдарда NASA, Ерік Річардс (E.A. Richards) з Аризонського університету і я використали телескоп «Субару» на Мауна-Кеа для оптичної ідентифікації 20 рентгенівських джерел, знайдених під час оглядів «Чандри». Потім за допомогою десятиметрового телескопа «Кек» ми отримали спектри цих об’єктів. Результати виявилися несподіваними: багато активних надмасивних чорних дір, виявлених «Чандрою», містяться в досить близьких великих галактиках. Моделі космічного рентгенівського фону передбачали існування великої кількості невидимих надмасивних чорних дір, але ніхто не очікував, що вони в нас під носом! Більше того, оптичні спектри багатьох галактик не підтверджують активності цих об’єктів. Без рентгенівських спостережень астрономи ніколи не змогли б виявити надмасивні чорні діри, приховані в ядрах галактик.

Отже, не всі надмасивні чорні діри народилися в епоху квазарів. Схоже, ці могутні об’єкти формувалися від найдавніших часів і до наших днів. Однак ті надмасивні чорні діри, які все ще активні, поводяться інакше, ніж далекі квазари, що із завидним апетитом пожирають речовину навколо себе. А більшість близьких джерел, виявлених «Чандрою», стримані в «їжі» й тому світять не так яскраво. Учені поки не зрозуміли, у чому причина цієї відмінності. Можливо, сучасним чорним дірам просто дістається менше газу. Близькі галактики стикаються одна з одною рідше, ніж далекі давні зоряні системи, а саме зіткнення можуть постачати речовину до чорної діри в галактичному центрі.

«Чандра» дозволила вченим трохи підняти ще одну завісу таємниці: хоча помірні джерела рентгенівського випромінювання значно менш потужні, ніж квазари (у середньому разів у 100), сукупне випромінювання нинішніх джерел разів у десять слабше за те, що в колишні часи виробляли квазари. Інакше кажучи, склад Всесвіту поступово змінюється від невеликої кількості яскравих об’єктів до великої кількості тьмяних. Але навіть попри те, що нині надмасивні чорні діри стали «меншими й дешевшими», їхній сумарний ефект усе ще великий.

Рентгенівське випромінювання виявляє приховані чорні діри. Обсерваторія «Чандра» зафіксувала багато чорних дір на глибокому знімку північного неба (ліворуч). Деякі виявилися потужними давніми квазарами, що засяяли вже через кілька мільярдів років після Великого вибуху (угорі праворуч). А інші зачаїлися в ядрах досить близьких галактик, випромінюючи рентгенівське випромінювання (внизу праворуч).

Галактики із зореутворенням також дрібнішали. Хоча деякі сусідні з нами галактики так само активно формують зорі, як і надпотужні, заповнені пилом галактики, виявлені на знімках камери SCUBA, їхня просторова густина надвисокої світності в сучасному Всесвіті більш ніж у 400 разів нижча, ніж була в давньому Всесвіті. Однак невеликі галактики знову проявили себе. Кюв’є, Джилліан Вілсон (J.Wilson) із Центру обробки інфрачервоних спостережень NASA, Дуг Берк (D.J.Burke) із Гарвард-Смітсонівського астрофізичного центру і ваш покірний слуга уточнили густину світності у Всесвіті, використовуючи високоякісні зображення, отримані з великим набором фільтрів, і спектроскопічні дані. Ми виявили, що густина оптичної та ультрафіолетової світності практично не змінилася за космологічний час. Хоча повна інтенсивність формування зір у другій половині життя Всесвіту знизилася (гігантські запилені галактики більше не демонструють спалахів зореутворення), маленькі, близькі галактики, що формують зорі, виявилися настільки численними, що густина оптичного й ультрафіолетового випромінювання знижується досить повільно.

Бадьорість середнього віку

Нові комп’ютерні моделі показують, що перехід від Всесвіту, де домінували нечисленні великі й потужні галактики, до Всесвіту, заповненого безліччю дрібніших галактик, може бути наслідком космічного розширення, за якого галактики розходяться і їхні злиття стають рідкісними. До того ж у міру зниження густини газу, що оточує галактики, його стає легше нагріти. А оскільки гарячий газ пружніший за холодний, він менше піддається гравітаційному стисканню в потенціальній ямі галактики. Фабріціо Нікастро (F. Nicastro) з Гарвард-Смітсонівського астрофізичного центру та його колеги нещодавно виявили теплий міжгалактичний туман, що поглинає ультрафіолетове та рентгенівське випромінювання далеких квазарів і активних ядер галактик. Туман оточує нашу Галактику з усіх боків і заповнює Місцеву групу галактик, до якої входять наш Чумацький Шлях, галактика в Андромеді та ще 30 менших членів. Імовірно, газ залишився від ранньої епохи формування галактик, але тепер він надто гарячий, щоб і далі брати участь у цьому процесі.

Навколо маленьких галактик середовище може бути прохолоднішим, оскільки вони не здатні нагріти навколишній газ так само сильно, як великі галактики, у розпорядженні яких були вибухи наднових зір і енергія квазара. До того ж маленькі галактики не так жадібно поглинають навколишню речовину, що дає їм змогу продовжувати свій скромний спосіб життя до наших днів. Натомість більші й марнотратніші галактики вичерпали свої ресурси і більше не здатні вбирати речовину зі своїх околиць. Дослідження властивостей газу в маленьких близьких галактиках, що проводяться нині, покажуть, як вони взаємодіють із навколишнім середовищем, що допоможе краще зрозуміти еволюцію галактик.

Головне питання все ж залишається нерозв’язаним: як на такому ранньому етапі еволюції Всесвіту змогли виникнути гігантські квазари? Слоанівський цифровий огляд неба (найбільший астрономічний проєкт із картографування чверті всього небосхилу та вимірювання відстаней до більш ніж мільйона далеких об’єктів) дав змогу виявити квазари, які існували, коли Всесвіт був у шістнадцять разів молодшим, ніж зараз, тобто приблизно через 800 млн років після Великого вибуху. У 2003 р. Фабіан Волтер (F. Walter) з Національної радіоастрономічної обсерваторії та його співробітники виявили лінії чадного газу у випромінюванні одного з таких квазарів. Оскільки вуглець і кисень могли з’явитися завдяки термоядерним реакціям у зорях, це відкриття свідчить про те, що значна кількість зір сформувалася в перші сотні мільйонів років життя Всесвіту. Недавні результати дослідника мікрохвильової анізотропії «Вілкінсон» (супутника, що спостерігає космічне фонове випромінювання) також вказують на те, що формування зір почалося лише через 200 млн років після Великого вибуху.

Ми стаємо свідками переходу Всесвіту до більш розміреного періоду його життя.

Крім того, комп’ютерне моделювання показало, що перші зорі були, найімовірніше, у сотні разів масивнішими за Сонце. Вони сяяли так яскраво, що повністю спалили своє паливо за кілька десятків мільйонів років. Тоді наймасивніші з них стиснулися в чорні діри, які, можливо, стали зародками надмасивних чорних дір, що породили перші квазари. Таке пояснення ранньої появи квазарів підкріплюється вивченням гамма-спалахів (див. «Найяскравіші вибухи у Всесвіті», «У світі науки», №4, 2003 р.), які, ймовірно, виникають унаслідок колапсу дуже масивних зір у чорні діри. Оскільки гамма-спалахи — найпотужніші вибухи у Всесвіті, що відбулися після Великого вибуху, астрономи виявляють їх на дуже великих відстанях.

У листопаді 2004 р. для їх дослідження NASA запустило супутник «Свіфт» вартістю $250 млн із трьома телескопами для спостереження вибухів у гамма-, рентгенівському, ультрафіолетовому та оптичному діапазонах. Вивчаючи спектри гамма-спалахів та їхнє післясвітіння, «Свіфт» допоможе вченим краще зрозуміти, як колапсують зорі та як починався ріст надмасивних чорних дір у ранньому Всесвіті.

Тепер астрономи завдяки обсерваторіям «Чандра» і «XMM/Ньютон», подібно до суперменів із коміксів, які за допомогою «рентгенівського зору» бачать крізь стіни, спостерігають огорнуті пилом ділянки Всесвіту. Як виявилося, гігантські галактики, багаті на молоді зорі, та жадібні давні чорні діри тепер доживають свій вік. Ще через кілька мільярдів років невеликі галактики, які сьогодні досить активні, витратять своє паливо, і світло в космосі майже згасне. На нашу Галактику чекає така сама доля. У міру космічного подрібнення карликові галактики (які містять лише кілька мільйонів зір, але є найчисленнішим типом галактик у Всесвіті) залишаться єдиними осередками зореутворення. З часом Всесвіт неминуче темнішатиме, а старі галактики не помруть, а лише повільно згаснуть.

ПРО АВТОРКУ:
Емі Баджер (Amy J. Barger) — професорка астрономії у Вісконсинському університеті в Медісоні, викладає в Гавайському університеті в Маноа. Баджер захистила дисертацію з астрономії в 1997 р. у Кембриджському університеті, а потім проводила дослідження в Астрономічному інституті Гавайського університету. Як космологиня-спостерігачка вона досліджує далекі об’єкти Всесвіту за допомогою рентгенівської обсерваторії «Чандра», космічного телескопа «Габбл» та оптичних телескопів в обсерваторіях Кітт-Пік в Аризоні та Мауна-Кеа на Гаваях.

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.