На космической скорости

На космической скорости

NASA/JPL-CALTECH/R. HURT (SSC/CALTECH), CHRIS BUTLER/SPL/EAST NEWS

Кто самый быстрый в нашей галактике и зачем следить за чемпионами

Мы пока не можем полететь даже к ближайшим звездам. Что уж говорить о более далеких путешествиях. Вряд ли удастся с помощью мыслимых технологий построить корабль, который отвезет нас в туманность Андромеды. Может быть, получится хотя бы найти подходящий локомотив и прицепить к нему свой вагон? Для этого нам понадобится узнать, есть ли поблизости, хотя бы в сотне световых лет вокруг Земли, какие-то объекты, которые двигаются с достаточно большими скоростями, чтобы улететь далеко и даже покинуть нашу Галактику — Млечный Путь.

Звезды гало

Поиск сверхбыстрых объектов помогает многое понять об эволюции Вселенной. Дело в том, что облик галактик сформировался не сразу, и звезды в них возникали постепенно. В этих звездных островах есть и совсем молодые объекты, образующиеся у нас на глазах, и очень старые, появившиеся в условиях, совсем не похожих на современные. Детальное изучение различий между ними позволит лучше понять, как жила и зарождалась вся наша Вселенная.

Млечный Путь относится к дисковым галактикам. Собственно, сама «Млечная дорога» в небе — это как раз диск галактики «в профиль», в котором мы и находимся. Однако диск не единственная составляющая. У Галактики есть еще гало. Это огромная — гораздо больше диска, — почти сферически симметричная структура, простирающаяся на сотни тысяч световых лет. В ней доминирует темное вещество, состоящее из элементарных частиц пока неизвестного нам типа, о существовании которых мы знаем только из-за их гравитационного действия. Поскольку частицы темного вещества слабо взаимодействуют друг с другом и с обычной материей, они не слипаются и распределяются достаточно равномерно — образуется гало. Хотя мы не можем увидеть его непосредственно, основная масса Галактики сосредоточена именно здесь.

Однако у Галактики есть и звездное гало, то есть часть звезд расположена за пределами галактического диска, но внутри гигантской сферы, заключающей этот диск. Звезды в гало — самые старые в нашей системе. Именно гало содержит самые первые строительные блоки, из которых образовалась галактика. Диск и балдж (галактический центр) возникли позже, в них попало вещество, уже обогащенное тяжелыми элементами, из которого образовывалось новое поколение звезд. Кроме того, в гало очень мало газа, так что последние миллиарды лет новых звезд там не возникало. Изучение звезд-долгожителей позволяет понять химический состав Вселенной на заре ее существования.

Совершая свое галактическое обращение, эти звезды гало попадают в диск, в том числе и в наши окрестности. Оказывается, что их можно выделить среди прочих слабых звездочек вокруг нас. Они обладают важной отличительной чертой — у них совсем другие скорости. Хотя звезды диска вращаются вокруг центра Галактики довольно быстро (скорость Солнца составляет примерно 220–250 км/с, что в разы и даже десятки раз превосходит не только скорости наших космических аппаратов, но и скорость движения планет вокруг Солнца), относительно друг друга близкие звезды имеют небольшие по галактическим меркам скорости — 10–30 км/с. А вот звезды из гало — совсем другое дело. Опускаясь со своих высот (астрономы говорят о «высоте» над галактическим диском), они разгоняются гравитационным полем Галактики до 300 км/с и буквально просвистывают мимо нас. Примерно так же кометы, двигаясь по своим очень вытянутым орбитам, приобретают высокую скорость вблизи Солнца. Таким образом, измеряя скорости звезд, можно определить их принадлежность: то ли это звезды диска, то ли звезды гало.

Если пофантазировать и представить, что мы сможем построить корабль, который долетит до ближайшей звезды гало и станет ее спутником, то потом, уже выключив двигатели, он сумеет вместе со звездой подняться высоко над плоскостью Млечного Пути. Однако путешествие будет долгим: со скоростью 300 км/с за 1000 лет мы пролетим всего один световой год, поэтому, чтобы заметно подняться над диском, придется ждать десятки миллионов лет, и из Галактики мы все равно не улетим, так как постепенно скорость будет уменьшаться за счет гравитационного поля нашей звездной системы, пока в итоге мы не полетим обратно к диску. Это уже гораздо лучше, чем ничего, но посмотрим, нет ли в природе чего-то более привлекательного для далеких перелетов.

Слияние галактик

Галактики часто взаимодействуют друг с другом. Иногда происходит слияние крупных спиральных галактик. Астрономы не только пытаются обнаружить такие пары и изучить их, но и моделируют этот процесс с помощью суперкомпьютеров

При взаимодействии галактик все происходит медленно. Слияние занимает миллиарды лет. Поэтому отнаблюдать разные стадии трудно , а промоделировать можно

Слияние происходит в несколько этапов, потому что в начале галактики довольно быстро двигаются относительно друг друга

Из-за приливного взаимодействия в ходе слияния у них отрастают красивые хвосты, меняется их структура

Но итог известен: образуется единая галактика, а центральные сверхмассивные черные дыры каждой из двух галактик в конце концов сольются друг с другом

Самые массивные черные дыры

Получены хорошие оценки массы для двух сверхмассивных черных дыр. Самим фактом оценок никого не удивишь, но здесь — рекорд. Масса каждой из дыр — 10 миллиардов солнечных. До этого информацию о таких дырах можно было получить только при помощи компьютерных моделей. Важно, что это не просто рекорд, но и новая задача для моделей формирования и эволюции таких объектов. Обе дыры заметно массивнее, чем получается из обычной корреляции дисперсии скоростей галактики или светимости балджа и массы центрального объекта.

Четкого и однозначного объяснения того, почему массы черных дыр оказываются тесно связаны со свойствами галактик, пока нет. Считается, что рост массы дыры и сферической составляющей ее галактики идут синхронно. В большинстве известных галактик корреляция достаточно хорошая, значит, есть стандартные механизмы увеличения массы. Авторы этого открытия полагают, что для самых массивных черных дыр (и галактик) корреляция дает сбой из-за существенной роли еще какого-то механизма роста массы.

Наблюдения квазаров указывают на то, что в дальней вселенной мы видим работу активных ядер галактик, где сидят очень массивные черные дыры. Но в ближней окрестности увидеть такие объекты (уже в спокойном состоянии) до сих пор не удавалось. Пара обнаруженных гигантов находится на расстоянии около 100 мегапарсек (более 300 миллионов световых лет). Их изучение должно позволить понять, как подобные объекты могли набирать массу в годы молодости Вселенной, когда формировались крупные галактики.

1. Звезда, которая всегда в диске
2. Звезда высоко в гало
3. Звезда гало, проходящая сквозь диск
4. Убегающая звезда
5. Гиперскоростная звезда

Включить гиперджеты!

Уже в XXI веке начали открывать другие удивительно быстрые звезды. Они имеют скорости более 700 км/с, больше чем в два раза превосходящие скорость звезд гало. Этого достаточно, чтобы навсегда улететь из Галактики. Такие звезды называют гиперскоростными. Как же они смогли так разогнаться?

Давайте разберемся, откуда звезда может получить скорость. Для этого другие объекты должны «поделиться» с ней импульсом. Обычно чем массивнее объект, с которым происходит взаимодействие, тем проще разогнаться. В нашей Галактике самым массивным является черная дыра в ее центре, масса этого объекта составляет несколько миллионов солнечных. Если пара звезд подлетит достаточно близко к черной дыре, то из-за их гравитационного взаимодействия и обмена импульсом связь между звездами может разорваться и одна из них получит огромную скорость — до тысяч километров в секунду!

Сейчас известно несколько гиперскоростных звезд. Со скоростями выше 700 км/с они способны улететь далеко за пределы галактики (поскольку могут преодолеть ее притяжение). Например, одна такая звезда — HE 0437–5439 — летит в сторону ближайшей галактики — Большого Магелланова Облака. Вот идеальный транспорт! Представьте, как было бы здорово поселиться на планете у такой звезды. Новое Солнце есть, а значит, с энергией проблем не возникнет. Не надо строить корабль — можно развивать цивилизацию на планете, обращающейся вокруг гиперскоростной звезды. Обустроились — и в путь, в другую галактику. Путь неблизкий, он может занять десятки и даже сотни миллионов лет, зато все само собой происходит. Целая цивилизация могла бы совершить перелет «верхом на звезде».

Схематичная траектория полета гиперскоростной звезды. Фото: MPI FOR ASTROPHYSICS

Убегающие звезды

К сожалению, все гиперскоростные звезды находятся далеко от нас. Связано это, конечно же, с тем, что сам центр Галактики от нас очень далек, а вероятность того, что гиперскоростная звезда полетит прямо к нам, невелика. Но и в солнечной окрестности происходит кое-что интересное. Невооруженным глазом на небе можно увидеть так называемые убегающие звезды.

Это массивные (а потому и яркие) светила, которые двигаются относительно близких звезд со скоростями, часто превышающими 100 км/с. Считается, разогнаться они могли по двум причинам. С первой мы уже знакомы — это гравитационное взаимодействие с другими объектами. Массивные звезды любят рождаться кучами — скоплениями. Пока скопление не распалось, звезды располагаются довольно тесно, потому высока вероятность того, что итогом взаимодействия станет приобретение одной из звезд высокой скорости. Звезда при этом совершит гравитационный маневр, примерно как искусственные спутники, которые мы, направляя к Сатурну или Меркурию, заставляем изменить скорость, пролетая мимо Венеры или Марса. Второй способ более интересный. Массивные звезды часто рождаются парами. Они кружат вокруг общего центра масс, пока одна не взорвется как сверхновая. При этом звезда сбрасывает большую массу. Но вторую звезду в паре удерживала именно эта масса! Если удалось скинуть более половины полной массы двойной звездной системы, то она распадается. Что почувствует вторая звезда? Представьте Тома Сойера, который крутит дохлую крысу на веревочке. Веревочка обрывается. Крыса со своей «орбитальной» скоростью полетит в сторону. Так же и звезда. В тесной массивной двойной системе орбитальные скорости могут составлять сотни километров в секунду. Разорвав пару взрывом сверхновой, мы получим убегающую звезду.

Убегающие звезды не покидают Галактику. Дело даже не в том, что скорости не слишком велики, а в том, что живут они недолго, ведь массивные звезды очень быстро пережигают запасы термоядерного топлива, а потому живут не миллиарды или десятки миллиардов лет, как маломассивные звезды, а всего лишь миллионы или десятки миллионов. Получается салют: звезда взлетает высоко над диском — и взрывается сверхновой. Образуется нейтронная звезда или черная дыра. Астрономы, изучающие пульсары (нейтронные звезды — источники периодических всплесков излучения), долгое время гадали: как же это некоторые из них в молодом возрасте могли забраться так высоко? А это не он забрался, а звезда, его породившая.

Предельно первичная звезда гало

В созвездии Льва обнаружена звезда с очень низким содержанием тяжелых элементов. У нее второй результат среди всех звезд по незначительности содержания железа и первый — по незначительности содержания углерода. Соответственно, и по незначительности массового содержания вообще всех элементов тяжелее гелия звезда получается в итоге рекордсменом. Если найдется звезда, у которой этот показатель окажется всего вдвое меньше, то у теорий, предсказывающих, что первичные звезды не могли быть маломассивными, начнутся серьезные проблемы.

Самые быстрые

Сотни километров в секунду — это здорово. А больше? Кому принадлежит рекорд? Это самые загадочные, самые интересные объекты — нейтронные звезды. Нейтронная звезда появляется после взрыва сверхновой. Ядро взорвавшейся массивной звезды коллапсирует, и в итоге мы имеем 20-километровый шарик с массой, превосходящей солнечную, с плотностью большей, чем у атомного ядра, со сверхсильным магнитным полем, со сверхсильной гравитацией, со сверхтекучестью и сверхпроводимостью в недрах. При вспышке сверхновой почти мгновенно выделяется невероятно много энергии. Больше, чем Солнце излучит за всю свою жизнь (а это 10 миллиардов лет!). Крайне маловероятно, что в природе такие взрывы происходят абсолютно симметрично относительно центра звезды. А если взрыв не симметричен, то образующийся после вспышки объект получит «пинок» (по-английски это так и называют — kick), причем довольно чувствительный. Шарик с массой, как у Солнца, можно разогнать до сотен и тысяч километров в секунду. Это не единственное объяснение сверхбыстрого движения нейтронных звезд. Первым механизм разгона нейтронной звезды из-за несимметричного взрыва сверхновой рассмотрел в 1970 году советский астроном Иосиф Шкловский. Однако затем были предложены другие возможные сценарии приобретения нейтронной звездой высокой скорости. Один из них был сформулирован Николаем Чугаем в 1984 году. Идея Чугая такова: основную долю энергии взрыва сверхновой уносят нейтрино. Это очень легкие, очень трудноуловимые частицы. Но их много. Нейтрино могут излучаться нейтронной звездой в виде двух струй. Опять-таки струи эти могут быть несимметричны. Это выглядит, как два противоположно направленных реактивных двигателя разной мощности. Если один двигатель намного мощнее другого, то мы снова сможем разогнать нейтронную звезду до большой скорости.

Спектр уникальной звезды, полученный прибором X-Shooter. Фото: ESO

Есть и другие идеи, но итог таков, что нейтронные звезды довольно легко преодолевают отметку 1000 км/с. И такие случаи наблюдаются. В этом году было заявлено об обнаружении двух возможных рекордсменов. Сначала Джон Томсик (Tomsick) с соавторами заявил об обнаружении нейтронной звезды, чья скорость может быть близка к 3000 км/с. Но тут еще нужны проверки и подтверждения. А вот результат Аиды Кириченко из ФТИ имени Иоффе в Петербурге и ее коллег более надежен. Они измерили для другой нейтронной звезды — пульсара — скорость около 2000 км/с. Эта звезда, которая находится в нашей Галактике на расстоянии примерно 6500 световых лет от нас, тоже гипотетически может рассматриваться на роль космического «паровоза» — она обречена на межгалактические странствия.

Слияния черных дыр

Система CID-42 очень любопытна. Это пара недавно слившихся галактик. В ее центральной части различимы два сгущения. Естественно предположить, что это две черные дыры со всем полагающимся окружением. Но положение ярких деталей не совпадает с наблюдаемым, поэтому возможен другой вариант. После слияния двух черных дыр итоговый объект может получать большую (до тысяч километров в секунду) скорость отдачи — кик. Это так называемый эффект гравитационно-волновой ракеты. Вероятно, в системе CID-42 различима вылетевшая черная дыра и центральное звездное скопление, которое она покинула. Это подтверждается и рентгеновскими наблюдениями. Ученые отмечают, что отбросить вариант все еще сливающихся дыр, равно как и вариант выброса дыры, но не из-за гравитационно-волновой ракеты, а из-за рассеяния на паре черных дыр, нельзя, но они выглядят менее предпочтительными. Эту систему предстоит детально изучать.

На гравитационной волне

Есть еще один удивительный механизм, позволяющий разгонять до сотен и даже тысяч километров в секунду гигантские объекты с массами в миллиарды солнечных: гравитационно-волновая ракета. Представим пару массивных звезд. О таких мы уже говорили. Вот они живут, по очереди взрываются как сверхновые и порождают черные дыры. В некоторых случаях система может сохраниться. Например, если при каждом взрыве сбрасывалось менее половины текущей массы системы или если рожденная во взрыве черная дыра получила «пинок», направленный против орбитальной скорости. Что дальше? Черные дыры кружат вокруг общего центра масс и в полном согласии с общей теорией относительности излучают гравитационные волны.

Излучение должно происходить за счет чего-то. Богатств у пары черных дыр немного. Испуская гравитационные волны, они сближаются, орбита становится все более тесной. Итогом должно стать слияние. Именно для обнаружения всплесков гравитационных волн от таких событий в начале этого века построены детекторы LIGO (американский проект) и VIRGO (франко-итальянский проект). Почти наверняка в год столетия общей теории относительности, то есть года через 3–4, слияния будут открыты. Заодно это станет окончательным подтверждением существования черных дыр. Но есть еще одна важная особенность. Черные дыры в паре не могут быть абсолютно одинаковыми, они имеют разную массу. Значит, процесс слияния и испускания идет несимметрично. Гравитационные волны уносят энергию и импульс. Если импульс ушел из системы преимущественно в каком-то направлении, то получившаяся в результате слияния черная дыра полетит в другую сторону. Так просто! Однако сам механизм придумали только в 1960-е годы. А астрофизики вообще «вспомнили» о нем в 1990-е, причем вовсе не в связи с массивными двойными звездами, а в связи с образованием галактик. Современные модели говорят, что первыми во Вселенной появляются звезды. Они не совсем похожи на те, что мы видим вокруг. Дело в том, что вещество, из которого они возникли, еще первичное. В нем есть практически только водород и гелий и нет более тяжелых элементов. Такие звезды могут быть очень массивными — в сотни раз тяжелее Солнца. Они живут недолго и в итоге порождают черные дыры. Потом образуются новые звезды и так далее. Но одновременно идет процесс роста структуры: небольшие «строительные блоки», в которых формировались самые первые звезды, объединяются друг с другом, чтобы в итоге породить галактики.

Две черные дыры разных масс вращаются вокруг центра масс. Они испускают гравитационные волны, а потому сближаются, двигаясь по спиралям (1). Однако волны излучаются несимметрично: дыры больше излучают вперед (по направлению движения), а траектории не замкнуты. Кроме того, скорости дыр различны, так как различны массы (2). Волны уносят не только энергию, но и импульс. Чтобы выполнялся закон сохранения, вся система начинает двигаться в сторону, противоположную той, куда волны унесли больше импульса. В итоге, когда черные дыры сольются, образовавшийся объект будет двигаться, хотя изначально, когда дыры были еще далеко друг от друга, вся система покоилась. ИЛЛЮСТРАЦИИ: МАКСИМ ЧАТСКИЙ

Во время объединения таких блоков в галактики черные дыры образуют пары и постепенно сливаются. Дальше возможны два варианта. Если в результате слияния появилась быстрая черная дыра, то она вылетит из центра формирующейся структуры. Если медленная, то она останется в центре. Из таких оставшихся, вероятно, и вырастут потом сверхмассивные черные дыры. А вылетевшие будут «болтаться» в гало галактики или улетят в межгалактическое пространство.

Вспомним, что и галактики сливаются друг с другом. Известны красивейшие фотографии таких огромных звездных систем в объятиях друг друга. Почти любая крупная галактика имеет сверхмассивную черную дыру в центре. Значит, в результате слияния может образоваться пара гигантских черных дыр. А дальше она должна рано или поздно слиться. Это надеялись увидеть с помощью космического гравитационно-волнового телескопа LISA, но из-за кризиса проект не был профинансирован. Улететь из большой галактики тяжело (хотя и возможно), но образовавшаяся черная дыра должна получить некоторую скорость, которая приведет к ее колебаниям около центра галактики. Из-за того что галактика очень массивна, покинуть ее такому объекту трудно, даже если ее скорость будет составлять несколько сотен километров в секунду. Есть данные, говорящие о том, что и такую ситуацию мы наблюдаем.

Ускорение науки

Посмотрим еще раз на нашу Галактику. В диске звезды вращаются вокруг центра Галактики с высокой скоростью, которая может превосходить 200 км/с, но это не настоящее путешествие: относительно друг друга они движутся медленно (со скоростями 20–30 км/с), расстояние от центра почти не меняют, над диском не поднимаются. Зато есть убегающие звезды, которые могут, получив дополнительную скорость более 100 км/с, и удалиться от центра, и взлететь над диском, но не далеко и не высоко. Пролетающие мимо нас со скоростью километров 300 в секунду звезды гало Галактики поднимаются на многие тысячи световых лет над плоскостью Млечного Пути, но потом летят обратно из-за гравитации звездного острова. Покидать Галактику могут гиперскоростные звезды, их начальные скорости порядка 700 км/с достаточны для этого. Они могут улететь и к другим звездным системам. Хотя такой вояж займет сотни миллионов лет, это хороший транспорт, потому что звезда не только везет, но и согревает. Рекордсменами среди известных галактических объектов являются нейтронные звезды, которые в результате взрыва сверхновой могут разогнаться и до тысяч километров в секунду. А где-то во Вселенной могут быть гигантские черные дыры с массами в миллионы и миллиарды солнечных, бороздящие космические просторы с огромными скоростями.

Конечно, изучение сверхскоростных объектов пока нужно вовсе не ради решения практической задачи космических путешествий. Такие объекты выбиваются из общего ряда, а значит, свидетельствуют о необычных процессах, происходящих во Вселенной. Быстрое движение позволяет выделить в нашей Галактике звезды гало, которые были свидетелями зарождения нашего мира. Скоростные нейтронные звезды могут рассказать о взрывах сверхновых, а движущиеся черные дыры — о слиянии галактик. Для того чтобы разогнать объект до необычно высокой скорости, должно было произойти что-то необычное. Поэтому, хотя пока мы не можем «прицепиться» к сверхбыстрым звездам для путешествия к другим галактикам, они являются локомотивом для развития науки.

Ключевые слова: галактики
 
# Вопрос-Ответ