Смерть галактики: как внезапно перестают рождаться звёзды

Умирающая галактика — зрелище не из приятных. Её звёздные фабрики, которые когда-то производили миллионы солнц, останавливаются. И это не медленное угасание, а внезапное, поразительное замирание — феномен, который астрономы называют быстрым тушением (rapid quenching).

Такие явления — загадка так называемых пост-вспышечных галактик (post-starburst galaxies), которые представляют собой одну из самых захватывающих, но часто игнорируемых историй во Вселенной. Для астрономов такие системы подобны космическим местам преступлений. Когда-то здесь бушевало массовое звездообразование — вечеринка эпического масштаба, — но теперь не рождается почти ни одной новой звезды. Это всё равно что найти бальный зал, где музыка внезапно смолкла, свет погас, и все поспешно разошлись. Такая сцена заставляет нас гадать о внезапной пустоте и поразительной скорости, с которой гости покинули помещение.

Вот в чём загвоздка: пост-вспышечные галактики встречаются довольно редко. Они составляют менее 1% от всех галактик во Вселенной. Эта редкость затрудняет их изучение. Раньше астрономы смотрели на оптический свет — в частности, на сильные линии поглощения горячих молодых звёзд типа А — в сочетании с явным отсутствием эмиссионных линий, которые сигнализируют об активном звездообразовании. Но эти методы, разработанные много лет назад, иногда пропускали целые группы пост-вспышечных галактик, а значит, наша картина была неполной.

Чтобы по-настоящему понять, что происходит, когда галактика внезапно перестаёт рождать звёзды, нужно знать, что вообще питает звездообразование. Ответ — газ. Точнее, холодный газ. Звёзды не возникают из ниоткуда; они рождаются из плотных, холодных облаков молекулярного водорода. Если в галактике заканчивается этот молекулярный газ или если газ турбулентен, не может собраться в комки — звездообразование останавливается. Просто, правда?

Не торопитесь. Предыдущие исследования этих загадочных переходных галактик были настоящей эклектикой. Учёные использовали противоречивые критерии отбора, разную чувствительность наблюдений и часто работали с выборками, которые были слишком малы, чтобы дать чёткую и единую картину. Это означало, что улики противоречили друг другу, и у нас не было связного повествования о космическом «убийстве». Некоторые даже предполагали, что галактики могут быть по-прежнему полны газа, но при этом не формировать звёзды — настоящая головоломка для любого, кто пытается понять звёздные колыбели.

Другие исследователи, однако, показали, что у многих из этих, казалось бы, богатых газом и спокойных галактик звездообразование всё же идёт, но скрыто за толстыми облаками пыли и в оптическом диапазоне выглядит «затмённым». Так что картина была размытой, мягко говоря, и в нашем понимании оставалась огромная дыра.

Прорыв: исследование EMBERS I

И тут на сцену выходит исследование EMBERS I — настоящий шедевр астрономического детектива. Команда под руководством Бена Ф. Расмуссена из Университета Виктории и его коллег из Научного института космического телескопа и Университета Сент-Эндрюс решила, что пришло время для комплексной, многосторонней атаки на проблему. Они поставили цель провести первую единообразную оценку содержания атомарного и молекулярного газа в большой и хорошо подобранной выборке пост-вспышечных галактик. Это всё равно что привлечь полную команду криминалистов после многих лет, когда у вас была только одна размытая фотография.

Исследователи начали со списка из 114 галактик-кандидатов, извлечённых из Слоановского цифрового обзора неба (Sloan Digital Sky Survey), тщательно отобранных по звёздной массе и расстоянию. Затем началась самая сложная работа: долгие часы наблюдений. Чтобы «вынюхать» атомарный водород — более диффузный газ, который служит первоначальным обширным резервуаром для будущего звездообразования, — команда задействовала огромную мощь китайского сферического радиотелескопа с пятисотметровой апертурой (FAST). Это гигантская 500-метровая «тарелка», идеально подходящая для улавливания слабых сигналов из далёкого космоса.

Но настоящее звездообразующее топливо — это молекулярный водород, который напрямую обнаружить гораздо сложнее. Поэтому астрономы используют надёжный индикатор — угарный газ (CO). Представьте себе детектор дыма для молекулярных облаков: где есть CO, там, вероятно, есть и H2, готовый коллапсировать и формировать звёзды. Чтобы измерить это излучение CO, Расмуссен и его коллеги провели поразительные 188,9 часа, разбитых на четыре наблюдательных заявки, используя 30-метровый телескоп IRAM. Это очень много долгих ночей и ранних утров, проведённых глядя в небо. Они получили 52 новых наблюдения, объединив их с девятью архивными, что дало итоговую выборку из 61 галактики.

Что же выяснили учёные?

Главное открытие: в среднем в пост-вспышечных галактиках действительно истощён молекулярный водород по сравнению с их активно звездообразующими предшественниками. Речь идёт о значительном падении — где-то на 0,3–0,6 меньше молекулярного газа, чем можно найти в галактиках с такой же звёздной массой, которые всё ещё производят звёзды. Это убедительно указывает на то, что ключевой механизм быстрого тушения — галактика просто расходует своё звездообразующее топливо.

Иными словами, вечеринка заканчивается, потому что космическая закусочная пуста.

Сложности и неожиданные выводы

Но здесь история становится по-настоящему интересной и менее однозначной. Это не значит, что каждая пост-вспышечная галактика совершенно бесплодна. Исследование обнаружило поразительное разнообразие в их холодных газовых резервуарах. У некоторых из этих галактик, даже после драматического прекращения вспышки звездообразования, доля молекулярного газа составляла от скромных 2% от их звёздной массы и до целых 250% в некоторых обнаруженных случаях.

Таким образом, хотя в среднем пост-вспышечная галактика действительно голодна до газа, индивидуальные истории куда сложнее. Это разнообразие имеет огромное значение для понимания эволюции галактик. Оно означает, что не существует одного универсального механизма быстрого тушения. Для одних галактик это отключение может быть необратимым — действительно конец звездообразованию, вероятно, из-за сильной потери газа. Для других, особенно для тех, которые сохранили изрядную долю газа, существует заманчивая возможность возрождения — второй акт, в котором звездообразование может запуститься снова, пусть и временно. Это означает, что для некоторых галактик мы наблюдаем не терминальное, а лишь временное прекращение — паузу, а не смерть.