Новая карта межзвёздного пространства показала: 41 процент «пустоты» — нестабильная среда, а не покой

Космос кажется пустым. Но в кажущейся пустоте есть едва заметный туман из водорода и других нейтральных атомов. В 2020 году аппарат NASA «Новые горизонты», пройдя орбиту Плутона, измерил количество водорода вокруг себя. В области между звёздами нашей Галактики — межзвёздной среде — он нашёл около 130 атомов водорода на литр пространства.

Этот водород вместе с некоторым количеством гелия и других молекул в основном остался от Большого взрыва. Он постоянно пополняется за счёт космических явлений: звёзды выбрасывают струи газа и пыли, когда рождаются, и сбрасывают внешние слои, когда умирают. Поскольку межзвёздная среда так разрежена и меняется так медленно, астрономы полвека игнорировали её детали, воспринимая как неподвижный фон для более ярких событий Вселенной.

Но в основном пустое пространство не так просто, как кажется. За последние годы астрофизики преобразили понимание межзвёздной среды. Используя новые карты, охватывающие тысячи световых лет нашей Галактики, они обнаружили: это не тихий, устойчивый фон, как думали раньше. Большая часть межзвёздной среды нестабильна. Это открытие прямо противоречит ведущим теоретическим моделям, которые преподают в учебниках. И оно может помочь разрешить давний вопрос о том, как быстро формируются звёзды.

В 1969 году исследователи Джордж Филд, Дональд Голдсмит и Харм Хабинг предложили модель поведения межзвёздной среды. Они предсказали, что она существует в двух стабильных состояниях: холодном и тёплом. Газ и пыль, плавая в пространстве, притягивают больше газа и пыли через гравитацию, в конце концов формируя облако. Эти облака имеют тенденцию остывать: быстрые молекулы сталкиваются с другими и теряют энергию. Их температура остаётся на уровне около 100 кельвинов, или примерно минус 173 градуса Цельсия.

Но иногда газ и пыль слишком горячие, чтобы сжаться в холодное облако. Вместо этого они формируют диффузное облако. Диффузное облако гораздо более открыто для соседних звёзд, которые поставляют новую энергию в виде ультрафиолетового излучения. Этот процесс поддерживает облако при стабильной температуре около 8000 кельвинов. Учёные думали, что атомы в межзвёздной среде почти мгновенно переходят в холодное или тёплое состояние, оставляя практически никакой нестабильной промежуточной среды.

В 1977 году Крис Макки и Джереми Острикер добавили третью фазу: на фронтах ударных волн сверхновых газ может стать ещё горячее, превращаясь в раскалённую плазму с температурой полмиллиона кельвинов. Но даже в этой расширенной картине атомный газ вне зон взрыва предполагался в спокойном, сбалансированном по давлению состоянии.

Проверить теорию было трудно. Холодный атомный водород не излучает видимого света. Самый простой способ его измерить — искать редкий атомный переход: электрон и протон внутри атома водорода иногда переключаются между двумя возможными состояниями. Этот переход излучает слабую радиоволну длиной 21 сантиметр. Более 70 лет астрономы направляли радиотарелки в небо, чтобы уловить эти шёпоты газа. Но, глядя вдоль одной линии от Земли, они собирали лишь запутанную кучу сигналов от перекрывающихся облаков. Разбирать результаты — всё равно что смотреть сквозь стопку полупрозрачных цветных плёнок: цвета смешиваются, и трудно опознать отдельный слой.

Только в последние годы, с запуском новых космических телескопов, астрономы смогли исследовать пространство между звёздами достаточно детально, чтобы разделить эти слои.

Телескоп Gaia, запущенный в 2013 году, создал новые возможности для понимания межзвёздной среды, дав учёным доступ к трёхмерной карте звёзд вокруг нашего Солнца. Gaia наблюдал почти два миллиарда звёзд под разными углами, пока Земля двигалась с одной стороны Солнца на другую в течение годовой орбиты. Изучение эффектов параллакса позволило определить расстояния до звёзд. Затем учёные изучили, как свет этих звёзд тускнел и краснел, проходя через межзвёздную среду на пути к Gaia. Собрав данные с разных углов и используя информацию о расстояниях, они смогли лучше понять плотность пыли между звёздами.

Но превратить эту информацию в трёхмерную карту межзвёздной среды было непросто. Многие возможные конфигурации среды могли удовлетворять одним и тем же данным. Больше данных давало лучшие ограничения, но и усложняло расчёты. Задача — выбрать наиболее физически правдоподобную конфигурацию, когда математика «становится невозможной». За последнее десятилетие Грегори Грин и другие исследователи построили продвинутые статистические框架, чтобы справиться с вычислениями. В 2024 году отдельная команда использовала эти инструменты, чтобы создать непрерывную трёхмерную карту плотности пыли межзвёздной среды внутри сферы более чем 4000 световых лет вокруг нашего Солнца.

Карта пыли показала, где межзвёздная пыль сосредоточена, выявив плотные облака, разбросанные в пространстве между звёздами. Но она не могла сказать, насколько горячая или холодная эта пыль. Чтобы понять полный диапазон температур, нужна была вторая карта — карта нагрева. И она пришла из неожиданного источника.

Джонатан Шелест, студент Техниона в Хайфе, вспоминает астрофизический семинар в 2024 году, когда его профессор Шмуэль Биали показывал студентам изображения газа и пыли, собирающихся в структуры вроде «Столпов Творения» в пустотах между звёздами. Сразу после лекции Шелест написал Биали, прося присоединиться к его исследовательской группе. Биали как раз искал студента для исследования межзвёздной среды через трёхмерное картографирование. Так родилось партнёрство.

У Шелеста уже была карта пыли. План состоял в том, чтобы объединить её с картой ультрафиолетового излучения, которое нагревает межзвёздную среду. Биали случайно нашёл такую карту, завязав разговор на конференции с астрофизиком Троем Портером из Стэнфорда, который сделал карту, но ещё не опубликовал её. Шелест, Биали и их коллеги объединили 200 гигабайт данных из двух карт. В каждой точке пространства они сравнивали плотность пыли с интенсивностью излучения, чтобы понять, где среда горячая, а где холодная. В конце концов они смогли объединить информацию о пыли и излучении на трёхмерной сетке.

Затем Шелест принялся изучать, что карта может ему рассказать. Самый большой сюрприз ждал при исследовании общей температуры среды: Шелест обнаружил, что 27 процентов межзвёздной среды в нашем галактическом окружении холодные, 32 процента тёплые, а оставшиеся 41 процент находятся прямо в запретной зоне — нестабильная среда. «Я думал, что ошибся, — сказал Шелест. — Как ты придёшь к научному руководителю и скажешь, что получил так много нестабильной среды?»

Но карта не выглядела сломанной. Шелест не увидел ни следов артефактов, ни случайного статистического шума в трёхмерной сетке. Вместо этого нестабильная среда формировала массивные, связные покрывала, которые полностью обволакивали холодные облака. Вся эта промежуточная среда, ни горячая, ни холодная, означает, что старая теория неполна. Что-то берёт материал, который по статической теории должен находиться в одном из двух других состояний, и взбалтывает его, заставляя менять состояние.

Астрофизик Дезика Нараянан использует органическую метафору. «Как кровь в вашем теле несёт метаболические отходы или кислород и перемещает разные вещи в разные места, так и межзвёздная среда делает то же самое, но с энергией, и она постоянно в состоянии потока».

В день в июле 2026 года, когда группа опубликовала статью, почтовый ящик Шелеста заполнился сообщениями от взволнованных астрономов и просьбами о сотрудничестве. Но исследователи призывают к осторожности, прежде чем переписывать учебники. Модель могла переоценить количество нестабильной среды, если холодные и тёплые участки были слишком близко, чтобы модель их различила, сказал Макки. Кроме того, метод, который команда использовала для расчёта общего распределения газа и пыли, мог их обмануть. Исследователи использовали усреднение по ансамблю — расчёт, который естественно сглаживает резкие контрасты. Если холодное облако резко переходило в тёплое, этот метод искусственно смягчал бы крутой перепад плотности в более плавный наклон, что завысило бы количество нестабильной среды. Шелест и Биали признают, что ограниченное разрешение и сглаживание карт — обе проблемы. Но они утверждают, что одно лишь математическое размытие не может объяснить большинство нестабильной среды. Когда авторы проверили своё моделирование на совершенно другой карте пыли с более низким разрешением, доля нестабильной среды сместилась лишь примерно на 5 процентов.

Галактики удивительно неэффективны в превращении сырья — газа и пыли — в звёзды. Десятилетиями симуляции не могли объяснить почему. Новая карта предлагает ответ: звездообразование подавляется постоянным циклом нагрева и охлаждения, который взбалтывает межзвёздную среду. «Причина, по которой звездообразование очень неэффективно, в том, что обратная связь нагревает и давит на окружающий газ», — говорит астрофизик Анна Розен. Это взбалтывание могло бы объяснить, почему классические модели, предполагающие спокойное равновесие среды, не совсем соответствуют реальности. Модели дают «физически обоснованные снимки» — неизменные изображения участков горячей и холодной среды, — «но между этими снимками всё ещё много всего происходит».

Вопрос, который остаётся: если 41 процент межзвёздной среды нестабилен, то что именно заставляет её постоянно меняться — и не окажется ли, что звёзды рождаются не там, где мы думали, а в этих нестабильных переходных зонах, которые раньше считались невозможными?