Раніше вважалося, що кульові зоряні скупчення – старі і нудні мешканці Всесвіту. Несподівано з'ясувалося, що багато які з них молоді.
У більшій частині Галактики зірки розкидані, немов сільські будинки на рівнині. Розділені величезними відстанями, вони живуть майже незалежно одна від одної. Однак деякі області Галактики більше схожі на міста. Мова йде про кульові зоряні скупчення – групи з мільйонів зірок, зосереджених в об’ємі, який в інших місцях припадає на одну зірку. Приблизно в двохстах з них знаходяться деякі з найстаріших зірок нашої Галактики, а молодих світил там взагалі не видно. Нерідко астрономи порівнювали такі скупчення з історичними районами старих міст, таких як Рим і Стамбул, які сформувалися дуже давно і відтоді мало змінилися.
Принаймні, так звикли думати астрономи, вічно зайняті складанням карти Всесвіту. Але недавно зірке око Космічного телескопа «Хаббл» помітило вогні нових зіркових міст, повних кипучої діяльності. Такі кульові зоряні скупчення, мабуть, формуються при зіткненнях галактик. Це відкриття допоможе астрономам дізнатися, коли виникли і як еволюціонують масивні галактики.
Кульові скупчення вельми поширені і наявні майже в усіх галактиках. За рідкісними винятками зірки кожного такого скупчення мають майже однаковий вік і склад. Це означає, що вони з'явилися в ході спалахів зореутворення – одночасного народження великої кількості зірок у невеликій ділянці простору. У Чумацькому Шляху цей процес збігся з утворенням самої Галактики, тому, вивчаючи кульові скупчення, астрономи визначали вік Всесвіту і уточнювали картину формування галактик. Кульові скупчення Чумацького Шляху розкидані по сферичному об’єму, що тягнеться далеко за межі диска, в якому зосереджена більшість зірок. Ймовірно Галактика колись мала кулясту форму, але істотно сплющилася вже на початковому етапі своєї еволюції.
Той факт, що кульові скупчення Чумацького Шляху мають поважний вік, сильно вплинув на вивчення таких скупчень взагалі. Що подумали б марсіани, які потрапили при висадці на Землю в будинок престарілих, де живуть лише восьмидесятилітні жителі? Не бачачи інших людей, вони вирішили б, що за останні 80 років на нашій планеті не народилася жодна людина. Схожим було становище в астрономії на початку 1990-х років. Більшість моделей походження кульових зоряних скупчень будувалися на основі уявлень про умови, що існували на ранньому етапі еволюції Всесвіту, виходячи з припущення, що їх формування закінчилося в далекому минулому.
Злиття галактик породжує зоряні скупчення
Близько 10 років тому було запропоновано дещо іншу модель і висловилося припущення, що процес формування кульових скупчень, можливо, продовжується і тепер, а відсутність молодих скупчень –лише артефакт, обумовлений обмеженістю спостережень. Нехай в нашій Галактиці всі кульові скупчення дійсно старі, але які вони в інших галактиках? Чи не відбувається формування таких скупчень постійно, якщо дозволяють умови?
Наприклад, при зіткненні двох спіральних галактик, що містять багато газу, з якого формуються нові зірки. Хоча галактики зазвичай розділені колосальними відстанями, все ж спостерігаються випадки їх зіткнення. Немає потреби говорити, що вони супроводжуються драматичними подіями. Злиття двох спіральних галактик часто породжує спалахи зореутворення – великі короткочасні сплески народжуваності зірок. Ця «колізія» здатна змінити і форму галактик, що зіштовхнулися: в результаті злиття двох спіральних галактик може утворитися одна еліптична галактика. Втім, раніше астрономи сумнівалися в цьому. Їх скептицизм спирався на той факт, що в еліптичних галактиках більше кульових зоряних скупчень, ніж в спіральних такої ж маси. При простому підсумовуванні двох спіралей кількість кульових скупчень на одиницю маси галактики повинна залишитися незмінною. Але якщо сам процес злиття веде до утворення нових кульових скупчень, то їх надлишок можна пояснити.
Для перевірки такої моделі потрібно було дізнатися, чи немає недавно сформованих кульових скупчень в багатих газом галактиках. Провести відповідні спостереження допоміг космічний телескоп «Хаббл». Завдяки відсутності атмосферних перешкод він дозволив розглядати у віддалених галактиках окремі зоряні скупчення. Спостерігаючи за галактиками, в яких відбуваються спалахи зореутворення, «Хаббл» виявив масивні і щільні молоді зоряні скупчення, що сформувалися в областях інтенсивного зореутворення. За розмірами і масами вони близькі до зоряних скупчень Чумацького Шляху. Отже, зіткнення галактик можуть призводити до формування не тільки нових зірок, а й нових кульових зоряних скупчень.
Але як переконатися, що ці зоряні скупчення дійсно є молодими аналогами тих, що існують і в нашій Галактиці? Продовжуючи приклад з марсіанами, які спочатку були знайомі лише з вісімдесятирічними землянами, можна сказати, що, побачивши групу дітей, вони почали б шукати докази того, що люди похилого віку і діти відносяться до одного біологічного виду.
І старі, і молоді
Щоб встановити спорідненість старих і молодих кульових зоряних скупчень, потрібно було виявити популяції скупчень різного віку в одній із старих еліптичних галактик. Якщо така галактика утворилася в результаті злиття спіральних галактик, то вона повинна містити як старі кульові скупчення, що існували раніше у вихідних спіральних галактиках, так і більш молоді, що виникли в процесі злиття. Згідно з розробленою моделі, еліптична галактика повинна включати в себе приблизно однакову кількість і тих, і інших скупчень.
Припускається, що два види кульових скупчень можна розрізнити за кольором. Зірки в молодих скупченнях повинні містити багато важких хімічних елементів, оскільки сформувалися з газу, який «забруднився» ними при вибухах наднових. А ось зірки більшості старих кульових скупчень в спіральних галактиках, на зразок нашої, порівняно бідні важкими елементами. А чим більше важких елементів міститься в зірці, тим більш червоний колір вона має. Ядерний синтез в центрі зірки створює випромінювання, що поглинається усередині світила газом, тиск якого не дає зірці стискатися під дією власного тяжіння. Коли важких елементів багато, газ інтенсивніше поглинає випромінювання, що дозволяє підтримувати баланс тяжіння і тиску при більш низькій температурі, що відповідає червоному відтінку.
Результати аналізу кольору кульових скупчень в еліптичних галактиках підтверджують існування бімодального розподілу. У більшості досліджених систем чітко виявляються дві популяції кульових зоряних скупчень – «блакитні» і «червоні», що підтверджує зв'язок злиття галактик з утворенням кульових зоряних скупчень.
Іншим доказом спорідненості старих і молодих кульових скупчень могло б стати виявлення скупчень проміжного, «середнього» віку. Труднощі полягають в тому, що вони мало чим відрізняються від старих. Яскраві молоді скупчення складаються з масивних зірок, які швидко еволюціонують і швидко вмирають, після чого розвиток скупчення сповільнюється. В результаті, розходження між кульовими зоряними скупченнями проміжного віку та старими виявляється незначним, і розпізнати їх за вмістом важких елементів дуже важко.
Все ж астрономи знайшли кульові скупчення проміжного віку в декількох еліптичних галактиках. Група вчених з Південно-європейської обсерваторії в Німеччині та з обсерваторії Мюнхенського університету виявила велику популяцію кульових зоряних скупчень у досить звичайній еліптичній галактиці. Співробітники Інституту космічного телескопу зосередили свої дослідження на еліптичних галактиках, в яких, завдяки їх дещо збуреній формі (що свідчить про ще, що вони ще не досягли повної зрілості) і наявності більш молодих зірок очікувалася наявність кульових зоряних скупчень проміжного віку. Результати детальних спостережень підтвердили це припущення.
Сюрпризи густини
Отже, встановлено, що існують кульові зоряні скупчення різного віку: молоді – віком від декількох мільйонів до декількох сотень мільйонів років, середнього віку – кілька мільярдів років, старі – віком близько 12 млрд. років (лише вони були відомі раніше). Деякі результати детального їх вивчення виявилися несподіваними.
Густина газу в областях спалахів зореутворення в 100–1000 разів більша, ніж у типових спіральних галактиках. Високий тиск стискає газ до густини, необхідної для формування зірок. У диску нашої Галактики формування зірок більше не приводить до народження кульових скупчень: тиск газу занадто малий. З іншого боку, народження зірок на ранньому етапі історії Всесвіту викликало нагрів хмар газу в карликових і спіральних галактиках, що призводило до підвищення тиску. Саме це може бути причиною існування кульових зоряних скупчень у карликових галактиках і в зовнішніх областях спіральних галактик, які уникли великих злиттів.
Було зроблено ще одне важливе відкриття: розміри недавно сформованих кульових зоряних скупчень не пов'язані з їх масами – більш масивні скупчення аніскільки не крупніші, вони просто густіші. Цього ніхто не очікував. Звичайно, чим більша маса об'єкта, зв'язаного силою тяжіння – такого як зірка чи планета, тим більший його розмір. Але у молодих зоряних скупчень це не так. На сьогодні краще пояснення виявленого феномена наступне: спочатку скупчення меншої маси мають менші розміри, але потім втрачають частину зірок, і втрата маси послаблює силу тяжіння, в результаті чого скупчення розширюється.
Але найцікавіше те, що стародавні кульові зоряні скупчення можуть служити відмінним інструментом для вивчення історії космосу з епохи Великого вибуху, коли формувалися зірки і галактики, а більш молоді скупчення відображають еволюцію Всесвіту до сьогоднішнього дня.
Читайте також:
