В мире науки, №1, 2004. Stephen E. Zepf , Keith M. Ashman
Раньше считалось, что шаровые звездные скопления старые и скучные обитатели Вселенной. Неожиданно выяснилось, что многие из них молоды.
В большей части Галактики звезды разбросаны, словно сельские дома на равнине. Разделенные громадными расстояниями, они живут почти независимо друг от друга. Однако некоторые области Галактики больше похожи на города. Речь идет о шаровых звездных скоплениях - группах из миллионов звезд, сосредоточенных в объеме, который в других местах приходится на одну звезду. Примерно в двухстах из них находятся некоторые из самых старых звезд пашей Галактики, а молодых светил там вообще не видно. Нередко астрономы сравнивали такие скопления с историческими районами старых городов, подобных Риму и Стамбулу, которые сформировались очень давно и с тех пор мало изменились.
По крайней мере, так привыкли думать астрономы, вечно занятые составлением карты Вселенной. Но недавно зоркий глаз телескопа «Хаббл» заметил огни новых звездных городов, полных кипучей деятельности. Такие шаровые звездные скопления, по-видимому, формируются при столкновениях галактик. Это открытие поможет астрономам узнать, когда возникли и как эволюционируют массивные галактики.
Шаровые скопления весьма распространены и присутствуют почти во всех галактиках. За редкими исключениями звезды каждого такого скопления имеют почти одинаковый возраст и состав. Это значит, что они появились в ходе вспышек звездообразования -- одновременного рождения большого числа звезд в небольшой области пространства. В Млечном Пути этот процесс совпал с образованием самой Галактики, поэтому, изучая шаровые скопления, астрономы определяли возраст Вселенной и уточняли картину формирования галактик. Шаровые скопления Млечного Пути разбросаны по сферическому объему, простирающемуся далеко за пределы диска, в котором сосредоточено большинство звезд. По-видимому, Галактика когда-то имела шарообразную форму, но существенно сплющилась уже на начальном этапе своей эволюции.
Тот факт, что шаровые скопления Млечного Пути имеют почтенный возраст, сильно повлиял на изучение таких скоплений вообще. Что подумали бы марсиане, попавшие при высадке на Землю в дом престарелых, где живут одни восьмидесятилетние старики? Не видя других людей, они решили бы, что за последние 80 лет на нашей планете не родился ни один человек. Похожим было положение в астрономии в начале 1990-х гг. Большинство моделей происхождения шаровых звездных скоплений строилось на основе представлений об условиях, существовавших на раннем этапе эволюции Вселенной, исходя из предположения, что их формирование закончилось в далеком прошлом.
Слияние галактик порождает звездные скопления
Около 10 лет назад авторы предложили несколько иную модель и независимо от Francois Schweizer высказали предположение, что процесс формирования шаровых скоплений, возможно, продолжается и теперь, а отсутствие молодых скоплений - всего лишь артефакт, обусловленный ограниченностью наблюдений. Пусть в нашей Галактике все шаровые скопления действительно стары, но как обстоит дело в других галактиках? Не идет ли формирование таких скоплений всегда, когда позволяют условия? Например, при столкновении двух спиральных галактик, содержащих много газа, из которого формируются новые звезды. Хотя галактики обычно разделены колоссальными расстояниями, все же наблюдаются случаи их столкновения. Нет нужды говорить, что они сопровождаются драматическими событиями. Слияние двух спиральных галактик часто порождает вспышки звездообразования -большие кратковременные всплески рождаемости звезд. Эта «коллизия» способна изменить и форму сталкивающихся галактик: в результате слияния двух спиральных галактик может образоваться одна эллиптическая галактика. Впрочем, раньше астрономы сомневались в этом. Их скептицизм опирался на тот факт, что в эллиптических галактиках больше шаровых звездных скоплений, чем в спиральных такой же массы. При простом суммировании двух спиралей количество шаровых скоплений на единицу массы галактики должно остаться прежним. Но если сам процесс слияния ведет к образованию новых шаровых скоплений, то их избыток объясним.
Для проверки нашей модели нужно было узнать, нет ли недавно сформировавшихся шаровых скоплений в богатых газом галактиках. Провести соответствующие наблюдения помог «Хаббл». Он позволил разглядеть н отдаленных галактиках отдельные звездные скопления. Наблюдая за галактиками, в которых происходят вспышки звездообразования, «Хаббл» обнаружил массивные и плотные молодые звездные скопления, сформировавшиеся в областях интенсивного звездообразования. По размерам и массам они близки к звездным скоплениям Млечного Пути. Значит, столкновения галактик могут приводить к формированию не только новых звезд, но и новых шаровых звездных скоплений.
Но как убедиться, что эти звездные скопления действительно являются молодыми аналогами тех, что имеются в нашей Галактике? Продолжая пример с марсианами, которые сначала были знакомы только с восьмидесятилетними землянами, можно сказать, что, увидев группу детей, они стали бы искать доказательства того, что старики и дети относятся к одному биологическому виду.
Чтобы установить родство старых и молодых шаровых звездных скоплений, нужно было обнаружить две популяции скоплений разного возраста в одной из старых эллиптических галактик. Если такая галактика образовалась в результате слияния спиральных галактик, то она должна содержать как старые шаровые скопления, существовавшие ранее в исходных спиральных галактиках, так и более молодые, возникшие в процессе слияния. Согласно разработанной нами модели, эллиптическая галактика должна включать в себя примерно одинаковое количество и тех, и других скоплений.
Авторы предположили, что два вида шаровых скоплений можно различить по цвету. Звезды в молодых скоплениях должны содержать много тяжелых химических элементов, поскольку сформировались из газа, который «загрязнился» ими при взрывах сверхновых. А вот звезды большинства старых шаровых скоплений в спиральных галактиках вроде нашей сравнительно бедны тяжелыми элементами. А чем больше тяжелых элементов содержится в звезде, тем более красный цвет она имеет, что обусловлено характером происходящих в ней процессов. Ядерный синтез в центре звезды создает излучение, поглощаемое внутри светила газом, давление которого не даст звезде сжиматься под действием собственного тяготения. Когда тяжелых элементов много, газ интенсивнее поглощает излучение, что позволяет поддерживать баланс тяготения и давления при более низкой температуре, соответствующей красному оттенку.
Результаты анализа цвета шаровых скоплений в эллиптических галактиках подтверждают существование бимодального распределения. В большинстве исследованных систем четко выявляются две популяции шаровых звездных скоплений - «голубая» и «красная», что подтверждает связь слияния галактик с образованием шаровых звездных скоплений.
Другим доказательством родства старых и молодых шаровых скоплений могло бы стать обнаружение скоплений промежуточного, «среднего» возраста. Труд! юсть в том, что они мало чем отличаются от старых. Яркие молодые скопления состоят из массивных звезд, которые быстро эволюционируют и быстро умирают, после чего развитие скопления замедляется. В результате различие между шаровыми звездными скоплениями промежуточного возраста и старыми оказывается незначительным, и распознать их по содержанию тяжелых элементов очень трудно.
Все же астрономы нашли шаровые скопления промежуточного возраста в нескольких эллиптических галактиках. Группа ученых из Южно-европейской обсерватории в Германии и из обсерватории Мюнхенского университета обнаружила большую популяцию шаровых звездных скоплений в довольно обычной эллиптической галактике. Сотрудники Института космического телескопа сосредоточили свои исследования на эллиптических галактиках, в которых, благодаря их несколько возмущенной форме (свидетельствующей, что они еще не достигли полной зрелости) и наличию более молодых звезд ожидалось присутствие шаровых звездных скоплений промежуточного возраста. Результаты детальных наблюдений подтвердили это предположение.
Сюрпризы плотности
Итак, установлено, что существуют шаровые звездные скопления всех возрастов: молодые - возрастом от нескольких миллионов до нескольких сотен миллионов лет (в сливающихся галактиках), среднего возраста - несколько миллиардов лет, старые - возрастом около 12 млрд. лет (только они были известны ранее). Некоторые результаты детального их изучения оказались неожиданными.
Плотность газа в областях вспышек звездообразования в 100-1000 раз больше, чем в типичных спиральных галактиках. Высокое давление сжимает газ до плотности, необходимой для формирования звезд. В диске нашей Галактики формирование звезд больше
не приводит к рождению шаровых скоплений: давление газа слишком мало. С другой стороны, рождение звезд на раннем этапе истории Вселенной вызывало нагрев облаков газа в карликовых и спиральных галактиках, что приводило к повышению давления. Именно это может быть причиной существования шаровых звездных скоплений в карликовых галактиках и во внешних областях спиральных галактик, избежавших крупных слияний. (Претерпев такое слияние, они бы уже не были карликовыми или спиральными.)
Было сделано еще одно важное открытие: размеры недавно сформировавшихся шаровых звездных скоплений не связаны с их массами: более массивные скопления нисколько не крупнее, они просто плотнее. Этого
никто не ожидал. Обычно чем больше масса объекта, связанного силой тяготения - такого как звезда или планета, -тем больше его размер. Но у молодых звездных скоплений это не так. На сегодня лучшее объяснение обнаруженного парадокса следующее: вначале скопления меньшей массы имеют меньшие размеры, по затем теряют часть звезд, и потеря массы ослабляет силы тяготения, в результате чего скопление расширяется.
Но интереснее всего то, что древние шаровые звездные скопления могут служить отличным инструментом для изучения истории космоса с эпохи Большого взрыва, когда формировались звезды и галактики, а более молодые скопления отражают эволюцию Вселенной до сегодняшнего дня.
