Где густо, а где пусто: химические элементы в галактиках

Одним из самых важных астрономических фактов, которые должны знать выпускники школы, является следующее: все мы состоим из звездного вещества. Что стоит за этим красивым высказыванием?

Когда-то во Вселенной не было углерода, кислорода, кальция - вообще всех тех элементов, из которых мы в основном состоим. Были только водород и гелий, плюс очень небольшая примесь дейтерия, лития и т.п. Затем образовались первые звезды - они были очень массивными. А после их взрывов появились и были выброшены в пространство элементы тяжелее гелия. Поэтому мы можем уверенно говорить о том, что любой атом в нашем теле (кроме, возможно, атомов водорода и гелия) когда-то побывал в недрах какой-то звезды. Более того, элементы, из которых мы состоим, были образованы в звездах!

Химический состав Вселенной постоянно меняется в сторону увеличения содержания т.н. металлов (в астрофизике "металлами" называют все элементы тяжелее гелия). В последние годы ученые получают много новых данных, связанных с эволюцией галактик. В том числе и с их химической эволюцией. Для этого нужно наблюдать объекты на разных расстояниях. Напомним, что расстояние удобно определять по т.н. красному смещению - чем сильнее покраснение света, тем дальше от нас находится галактика (это верно больших - космологических - расстояний). А т.к. мы видим ее такой, какой она была миллиарды лет назад, то чем больше красное смещение, тем более молодые объекты мы наблюдаем. (Само красное смещение возникает из-за расширения Вселенной - все галактики разбегаются друг от друга, и скорость галактики относительно нас прямо пропорциональна расстоянию.)

Для определения химического состава галактики нужны спектральные исследования. Т.о. получая спектры галактик на разных красных смещениях, мы получаем информацию о химической эволюции Вселенной. И здесь ученых поджидали сюрпризы.

С одной стороны оказалось, что даже на очень больших расстояниях мы видим объекты с содержанием элементов, близким к солнечному (т.е. состав звезд в далеких, а значит молодых, галактиках такой же, как у нашего Солнца). С другой стороны, даже на небольших расстояниях от нас мы видим галактики очень бедные металлами. Недавно две группы ученых сделали новые важные открытия, расширяющие и углубляющие наше понимание химической эволюции галактик и Вселенной вцелом.

Сейчас известно уже довольно много объектов за красным смещением, равным шести. Но здесь важно не просто открывать все более и более далекие источники (это почти спорт!). Нужно изучать их. Для понимания эволюции галактик существенными оказываются наблюдения молекулярного газа, в первую очередь СО. В появившейся сегодня в Архиве электронных препринтов работе Фабиана Волтера (Fabian Walter) из Национальной Радиоастрономической обсерватории (США) и его коллег описываются данные по рекордно далекой галактике, внутри которой существует квазар, и в которой удалось зарегистрировать излучение оксида углерода (СО). По таким данным удается достаточно точно определить массу молекулярного газа (в основном это молекулярный водород, но его количество определяют по излучению оксида углерода, т.к. молекула СО несимметрична, а потому больше излучает). Масса оказалась равной примерно 22 миллиардам масс Солнца. Это много! Учитывая близость времени испускания излучения СО (Вселенной тогда было всего около 7 процентов от ее современного возраста) ко времени вторичной ионизации (тогда вещество было вновь ионизовано светом появившихся звезд и квазаров), данное открытие дает возможность понять новые детали о Вселенной времен окончания "мрачной эпохи" (Dark Ages). Именно так называют промежуток времени от эпохи излучения реликтового фона (красное смещение около 1000) до формирования первых объектов (красное смещение порядка 20).


Радиоизображение галактики J1148+5251, полученное на VLA.
Крест отмечает оптическое положение галактики.

Как всем известно, любой крупный обзор содержит массу интересной информации, которая является в некотором смысле побочным продуктом, т.к. не связана напрямую с главной задачей проекта. Слоановский цифровой обзор неба (SDSS) не является исключением. Более того, будучи одним из самых крупных проектов за всю историю астрономии, он содержит колоссальное количество информации о самых разных объектах. Нужно только ее извлечь.

Фотография галактики NGC 1087, полученная в Слоановском цифровом обзоре неба. Рекомендуем посмотреть на этом сайте, как выглядят галактики и квазары на разных красных смещениях.

Алексей Князев (Астрономический институт Макса Планка в Гейдельберге, Германия, и Специальная Астрофизическая Обсерватория, Россия) и его соавторы рассказывают об открытии восьми галактик с экстремально низким содержанием металлов (напомним, что в астрономии к "металлам" причисляют все элементы тяжелее гелия, в том числе и кислород). Это близкие (по космологическим меркам) галактики: расстояние до самой далекой составляет лишь около 177 Мпк (красное смещение менее 0.05). Исследование таких объектов сейчас очень актуально в связи с большой активностью в изучении эволюции галактик вообще и их химической эволюции в частности. Возможно, что такие галактики сохранили первичный химический состав, т.к. в них никогда до нашего времени не шел мощный процесс образования звезд. Они проспали 10 миллиардов лет, и только сейчас просыпаются к активной галактической жизни.

Для выделения этой восьмерки "экологически чистых" галактик понадобилось обработать 250000 индивидуальных спектров. Поэтому работа представляет интерес и с точки зрения описания уникальной методики выявления объектов с низким содержанием кислорода.

Как видно, мир галактик очень богат. А наше время богато на открытия в этой области благодаря новым инструментам и методам обработки данных.



Похожие позиции: