10 галактических загадок Млечного Пути

Космос полон загадок. Нам предстоит ответить на очень много вопросов не только о далеких звездах, но и о планетах и лунах нашей собственной Солнечной системы, в чем нам помогут телескопы. Однако некоторые загадки все еще очень далеки от нас, и некоторые из них — галактические в прямом смысле слова.

Место рождения Солнца

Такие звезды, как наше Солнце, рождаются в кластерах с другими подобными звездами. Эти звездные братья и сестры образуются из одного газового облака, поэтому обладают одним химическим составом. Тем не менее мы изучили 100 000 звезд в 325 световых годах от Земли и обнаружили только две, которые очень похожи на Солнце. Наше светило одиноко, видимо, потому что его выбросили из кластера или оно дрейфовало все 4,5 миллиарда лет своего существования.

Хорошим кандидатом на его место рождения был Messier 67, кластер в созвездии Рака в 2900 световых годах от нас. Звезды там одного возраста, температуры и химии с нашим Солнцем. Тем не менее астрофизики из Национального автономного университета Мексики в 2012 году провели моделирование и выяснили, что M67 не подходит.

Солнцу понадобилось бы маловероятное выравнивание нескольких массивных звезд в одну линию, которые вышвырнули бы его, а необходимая для этого скорость просто разорвала бы планетарный диск, даже не дав Земле сформироваться. Кроме того, вертикальное колебание M67 в галактической плоскости в пять раз больше, чем у нашего Солнца, а должно быть таким же.

Возможно, кластера Солнца больше не существует, а все его собратья просто разлетелись. Другая гипотеза — светило пришло из центра галактики, где много подобных Солнцу звезд.

Лучший шанс для выяснения ответа — европейский спутник «Гайя». Запущенный в 2013 году, «Гайя» создаст карту химического состава одного миллиарда звезд. Миссия завершится в 2018 году и должна предоставить нам беспрецедентные знания об эволюции галактики.

Облака звезд

Для свершения открытия в астрономии недостаточно просто взглянуть в телескоп и увидеть там что-нибудь. Иногда обсерватория создает серьезный массив данных об одном участке неба, а ученые тратят годы, чтобы проанализировать эту информацию. Таким проектом является Sloan Digital Sky Survey. Используя телескоп в Нью-Мексико, ученые проекта последние десять лет наблюдают за 930 000 галактик, 120 000 квазаров и почти полумиллионом звезд Млечного Пути.

Используя эти данные, команда астрономов заметила кое-что в вертикальном распределении звезд. Они часто слипаются, и, как отметила команда, 300 000 звезд нередко сходятся в нечто, напоминающее звуковую волну. Для этого явления ученые даже ввели термин «космосейсмология», предположив, что было нечто, что заставило галактику «звенеть подобно колоколу».

Наиболее вероятное объяснение этого состоит в том, что что-то врезалось и проходило через нашу галактику последние 100 миллионов лет. Исследователи не смогли определить, что это — возможно, карликовая галактика или даже структура темной материи. Возможно, событий было несколько. Более того, есть вероятность того, что волна — свидетельство еще предстоящего события.

Ученые надеются, что миллиард звезд, отраженные на карте «Гайи», дадут ответ. Возможно, им откроется богатая картина волновых структур, скрытых по всей галактике, которая откроет совершенно новое окно в истории изучения космоса.

Сверхскоростные облака

Сверхскоростные облака были обнаружены в 1963 году. Эти собрания межзвездного газа движутся в разных направлениях и с разной скоростью по отношению к вращению Млечного Пути со скоростью не менее 50 километров в секунду. Они состоят по большей части из водорода и, как полагают, попадают в галактику из межгалактического пространства. Откуда конкретно они приходят — пока не знают.

Ян Оорт, один из первооткрывателей облаков, предположил, что газ является остатком формирования галактики. Другое объяснение состоит в том, что газ выбрасывается из Млечного Пути и падает обратно гигантским галактическим фонтаном. Если бы это было так, поднимающийся газ было бы трудно обнаружить из-за других материалов на нашем пути.

Материал может быть производным объектов, кружащих вокруг нашей галактики. Один из таких — Complex H, небольшая галактика, движется по ретроградной орбите вокруг Млечного Пути. По мере движения выделяет газ в нашу галактику.

Другое сверхскоростное облако, Облако Смита, движется к диску Млечного Пути на скорости 73 километра в секунду и сольется с нашей галактикой примерно через 27 миллионов лет. Его траектория предполагает, что 70 миллионов лет назад оно уже проходило через Млечный Путь. Это прохождение разорвало облако пополам и только гало темной материи, как полагают ученые, удержало его вместе.

Магеллановы Облака

Магеллановы Облака — это сопутствующие галактики Млечного Пути, обнаруженные во время кругосветного путешествия Фердинанда Магеллана в 16 веке. Большое Магелланово Облако находится в 160 000 световых годах от Земли и имеет 14 000 световых лет в поперечнике. Малое Магелланово Облако в два раза меньше своего старшего брата, но находится на 30 000 световых лет дальше. Для сравнения, Млечный Путь в поперечнике — около 140 000 световых лет.

Облакам 13 миллиардов лет и они, как полагают, вращались вокруг Млечного Пути. Однако измерения, проведенные Хабблом, показывают, что они движутся вдвое быстрее, чем предполагали изначально. Однако Млечный Путь недостаточно массивен, чтобы удерживать их на орбите. И вот почему они остаются на орбите — это загадка. Это могло бы означать, что Млечный Путь в два раза массивнее, чем считалось раньше.

Остаются ли Облака или просто проходят мимо — это интересный вопрос, но Облака интересные и другими своими характеристиками. Не так давно ученые разрешили вопрос с сорокалетней историей об источнике Магелланова Потока, ленты газа, которая простирается на полпути во всем Млечном Пути. Они обнаружили, что большая ее часть произошла от меньшего облака, хотя уровни кислорода и серы в новых ее регионах соответствуют большему облаку.

В 2007 году австралийский телескоп Parkes поймал взрыв радиоволн, обследуя меньшее облако. Мощь взрыва указала на экстремальное событие, например, столкновение нейтронных звезд или смерть черной дыры. Почти наверняка взрыв пришел из-за пределов облака, но его источник до сих пор остается загадкой.

Галактика X

Одной из самых популярных астрономически-конспирологических теорий было существование «Планеты X». Согласно этой теории, планета размером с Юпитер вращается вокруг Солнца на неустойчивой орбите, причем NASA «знает и молчит». Хотя эта идея давно изжила себя, существование «Галактики X» куда более вероятно. Допустим, на противоположной стороне Млечного Пути от нас есть карликовая галактика, которую мы не видим из-за пыли и газа. И на 85% она состоит из темной материи.

Астроном Калифорнийского университета в Беркли Суканья Чакрабарти ведет охоту на эту галактику. Она разработала метод нахождения темных галактик, изучая рябь в распределении газообразного водорода в спиральных галактиках. Водород проходит в пять раз дальше от центра галактики, нежели расположена зона со звездами, поэтому вращающиеся на орбите галактики вызывали бы в этом газе рябь.

Чакрабарти предполагает, что «Галактика X» будет иметь массу около одной сотой Млечного Пути. Метод поиска скрытых галактик был протестирован на других галактиках, существование которых уже известно, и может находить крайне малые объекты.

Проблема лития

Проблема лития — одна из самых старых в космологии. Литий — это третий по легкости элемент во Вселенной, идущий сразу после водорода и гелия. Согласно модели Большого Взрыва, мы должны найти во Вселенной определенные уровни этих элементов. Модель отлично работает на всем, кроме лития.

В самых старых звездах Млечного Пути изотоп литий-7 обнаружен на уровне около одной трети от ожидаемого. Литий-6 появляется в тысячу раз чаще, хотя его должно быть меньше. Этому нет никакого объяснения. Потенциальные ответы не подходят для других элементов. В 2008 году проблема с литием еще больше усугубилась.

В ходе исследования было выяснено, что юные галактики были наполнены микроквазарами. Эти миниатюрные черные дыры производят струи сверхгорячей плазмы с энергий, достаточной для сплавления водорода в гелий. В 2012 году команды из Швеции и Германии подсчитали, что если бы 1% микроквазаров Млечного Пути производил литий-7, они бы произвели такое же количество, что и Большой Взрыв. Короче говоря, микроквазары в два раза усугубили проблему лития.

Одно из последних объяснений полагается на существование аксионов, теоретических частиц темной материи. Прогнозы уровня лития-7 зависят от расчета количества света в ранней Вселенной. Этот расчет проводился на основе космического микроволнового фона, который появился спустя 380 000 лет после начала всего. Аксионы могли охладить фотоны в то время, что заставило нас недооценить уровень света, а значит, переоценить литий-7.

В любом случае такой ответ будет означать существование в два раза большего количества нейтрино по сравнению с уже обнаруженными нами. Вдобавок ко всему, аксионы вообще не являются главными кандидатами для объяснения темной материи и, возможно, вовсе не существуют.

Галактическая деформация

Во многих галактиках пыль и газ между звездами сосредоточены в тонком слое. Наш Млечный Путь — не исключение. «Тонкий» — весьма относительное понятие, конечно, поскольку диск будет толщиной в 240 световых лет в самом тонком месте, но все равно это крайне малая часть галактики. И, между прочим, мы можем быть глубоко внутри такого слоя, который почти полностью состоит из атомарного водорода и гелия.

Хотя некоторые из таких дисков являются плоскими, многие из них изогнутые и кривые. Это явление известно как галактическая деформация. Диски могут быть в форме подковы, буквы S и других, не совсем симметричных фигур. Деформацию могут вызывать разные причины. Предполагается, что это естественный процесс: со временем такие искажения должны выравниваться вместе с процессом формирования галактики.

В Млечном Пути диск плоский относительно плоскости галактики, в которой мы находимся. В одном направлении он изгибается к северу от галактической плоскости, в другом — уходит вниз, прежде чем снова выровняться направо и до конца. Во многом он напоминает волну.

Ученые из Калифорнийского университета смогли описать деформацию как комбинацию трех колебаний на диске. Первая взлетает по краям в сочетании с синусоидальной волной и седловидным колебанием.

Ученые полагают, что вероятным объяснением такого искажения стали Магеллановы Облака, плывущие через гало темной материи вокруг Млечного Пути. Влияние облаков ранее считалось несущественным, поскольку у них недостаточно массы, чтобы вызвать деформацию. Ученые полагают, что вибрация в гало, вызванная движением облаков, словно волны вслед за кораблем, может резонировать через галактику и вызывать деформацию диска.

Диффузные межзвездные пояса

С момента своего открытия в 19 веке спектроскопия стала одним из наиболее важных методов изучения астрономии. Она предполагает измерение длины волны излучения объектов в космосе с целью выяснения их состава. Каждый атом и молекула поглощают разные длины волн света. Исследуя закономерности световых лучей, которые достигают нас, мы можем выяснить, через что они прошли.

В 1922 году астроном Мари Леа Хегер наблюдала пояса, которые не были похожи ни на что виденное ранее. Ученые пришли к выводу, что эти полосы стали результатом некоего события в космосе, но какого? Из чего состоят пояса, ученые тоже выяснить не смогли.

Сотни полос были обнаружены в инфракрасном, ультрафиолетовом и видимом спектрах. Причина этих диффузных межзвездных полос стала «классикой спектроскопических проблем 20 века». Книги были заполнены предположениями, охватывающими «все мыслимые формы материи». Крупные молекулы на основе углерода были наиболее вероятными кандидатами. Более того, в них может заключаться 10% галактического углерода.

В 2011 году диффузные межзвездные полосы были обнаружены по направлению к ядру Млечного Пути. Это подсказало ключ к разгадке: по всей видимости, молекулы сопротивляются суровым условиям в центре нашей галактики. Дальше в инфракрасном спектре были обнаружены и другие полосы.

Томас Джебол, астроном, работающий на Гавайях, надеется, что новые наблюдения могут привести научное сообщество к ответу. Эти молекулы также могут стать ключом к жизни, поскольку полосы могут состоять из сложных химических веществ, которые однажды могли засеять и Землю.

Сверхскоростные звезды

Большинство звезд вращаются вокруг галактического центра примерно с той же скоростью, что и наше Солнце, около 230 километров в секунду. Однако некоторые звезды, примерно одна из миллиарда, движутся в три раза быстрее. Они известны как сверхскоростные звезды. Первая из них была обнаружена астрономами Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в 2005 году, но с тех пор были также найдены десятки подобных.

Интересно в них то, что движутся они так быстро, что могут покинуть орбиту галактики. Возникает вопрос: откуда у них такая скорость?

У одной из самых быстрых звезд HE 0437-5439, как полагают, было сложное прошлое. Согласно теории, тройная система звезд прошла через центр галактики, где центральная черная дыра оторвала одну звезду. Это отбросило другие две, позже они объединились в сверхгорячий голубой гигант и вырвались из Млечного Пути на скорости 2,5 миллиона километров в час.

Ближайшая такая звезда к Земле, LAMOST-HVS1, также могла взаимодействовать с центральной черной дырой. Но она могла прийти из диска, что указывает на среднюю по размерам черную дыру в центре нашей галактики.

Willman 1

В 2004 году команда астрономов из Нью-Йоркского университета обнаружила необычный объект, изучая данные Sloan Digital Sky Survey. Они искали тусклые галактики-компаньоны Млечного Пути, но то, что они нашли, вообще не вписалось в галактические рамки. Эта группа звезд вообще ни в какие рамки не влезла бы.

Назвали ее SDSSJ1049+5103, или Willman 1, если коротко. Она вращается в 120 000 световых годах от Млечного Пути. Возможно, это карликовая галактика или шаровое скопление, однако у обеих теорий есть свои недочеты. Шаровые скопления, как правило, вмещают несколько сотен тысяч звезд, в то время как в Willman 1 их меньше тысячи. Это мог быть небольшой галактический кластер, который, как метко описал один физик, «словно крошечный клещ ехал на блохе, которая, в свою очередь, прицепилась к большой собаке».

Если это галактика, а не кластер, может быть и другой вариант. Компьютерное моделирование истоков Млечного Пути показало, что рядом с нами могут быть сотни небольших галактик, но мы нашли только двадцать. Одно из объяснений — массы, меньшей чем 10 миллионов звезд, недостаточно для производства множества звезд, что делает галактику видимой.

Дальнейшие наблюдения за Willman 1 показали, что ее масса составляет около полумиллиона солнечных, что в разы меньше вышеупомянутого предела. Возможно, Willman 1 содержит неучтенную темную материю или часть массы просто улетучилась. В любом случае это скопление звезд в настоящее время ставит больше вопросов, нежели ответов.