Местная Группа галактик

Какое место наша Галактика занимает во Вселенной? Какие слабые места имеет теория конденсации холодной небарионной материи? Какие задачи стоят перед проектом Слоановского обзора неба? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Алексей Расторгуев.

Астрономы уже давно знают, что вещество во Вселенной распределено крайне неоднородно. Оно, если присмотреться, очень похоже на сильно увеличенную мыльную пену: есть большие пустоты, тонкие стенки, слои, узлы. И везде во Вселенной мы видим галактики. Галактики, как правило, по одной не живут, они образуют группы разного масштаба. Есть небольшие группы, которые включают в себя два, три, десятки членов, есть скопления галактик, есть сверхскопления, содержащие тысячи галактик, и все это образует пенистую структуру — как говорят астрономы, крупномасштабную структуру Вселенной. Ее изучением занимаются давно, еще со времен открытия Хабблом расширения Вселенной, которое он обнаружил по красным смещениям в спектре галактик.

Где же живем мы в нашей Галактике и что окружает нашу Галактику? Наша Галактика вместе с туманностью Андромеды, тоже гигантской дисковой спиральной галактикой, образует группу, которую так и называют — Местная Группа (оба слова с большой буквы). И эти две гигантские галактики окружены роем маленьких галактик, крупнейшими из которых являются Большое и Малое Магеллановы Облака — это спутники нашей Галактики, расположенные от нас на расстоянии от 150 до 200 тысяч световых лет. Самые крупные спутники туманности Андромеды — это известная спиральная галактика в туманности Треугольника, она значительно меньше и Млечного Пути, и туманности Андромеды, и пара ярких карликовых эллиптических галактик, спутников туманности Андромеды. Если говорить обо всех жителях нашей Местной Группы, то их примерно пять десятков штук. Размер Местной Группы сравнительно невелик — около 6 миллионов световых лет в поперечнике.

Что же расположено дальше и где место нашей Местной Группы? Оказывается, что Местная Группа — это малая и притом периферийная часть гигантского сверхскопления галактик, которое насчитывает больше тысячи галактик всевозможных масштабов. Центр этого сверхскопления расположен на расстоянии 60 миллионов световых лет от нас, и его можно видеть в направлении созвездия Девы. Поперечник этого образования — больше 100 миллионов световых лет — это гигантская субструктура во всей Вселенной. Но она тоже не единственная. Это сверхскопление — малая часть всей галактической пены, общего пенистого узора, который образуют галактики и их скопления.

Говоря о Местной Группе, о других галактиках и их скоплениях, мы, конечно, не можем обойти стороной вопрос о том, как все это возникло. Астрономы знают — и не только, наверное, астрономы, — что Вселенная произошла в результате Большого взрыва, который случился 13,5–14 миллиардов лет назад. Вселенная поначалу была горячей, и ее начальное состояние, конечно, скрыто от нас, потому что это состояние не описывается никакими современными физическими законами. Вселенная была горячей, по мере быстрого расширения она стала охлаждаться, и, наконец, произошел решающий момент в ее жизни, когда появились атомы. До этого Вселенная была в состоянии плазмы, и, как только температура опустилась до 3 тысяч кельвинов, электроны стали связываться с ядрами, возникли атомы, из которых впоследствии возникло все, что мы сейчас наблюдаем: и мы с вами, и звезды, и галактики, и их скопления.

И сейчас, и в прежние времена, во времена юности Вселенной, основной силой была сила тяготения.

Все структуры, которые мы сейчас наблюдаем, произошли в результате гравитационного скучивания вещества.

Астрономы поначалу подозревали, что достаточно было обычного, так называемого барионного вещества, чтобы произошло это скучивание и последующее образование галактик и звезд. Но теперь мы знаем, что барионное вещество по массе составляет 15–16% всей тяготеющей массы Вселенной, а все остальное — это непонятной пока еще природы темное вещество.

Если бы причиной возникновения галактик и скоплений галактик было скучивание обычного вещества, то 13 миллиардов лет, прошедших с момента образования атомов, было бы недостаточно, чтобы образовать такие плотные структуры. И астрономы пришли к выводу, что первопричиной гравитационного скучивания было скучивание холодной темной материи, на которую уже впоследствии стало натекать обычное вещество в виде газа. Газ уплотнялся, масса уплотнений возрастала, и в результате возникли сначала галактики, затем отдельные звезды, и пошла уже привычная звездная эволюция.

Начало эпохи атомов — это период, когда плазма остыла до 3 тысяч кельвинов, электроны, соединяясь с ядрами, испустили излучение, следы которого мы сейчас видим. Поначалу это излучение было горячим, имело температуру 3 тысячи кельвинов, но за 13 с лишним миллиардов лет оно остыло примерно до 2,7 градусов Кельвина, то есть более чем в тысячу раз. И оно пронизает всю Вселенную, мы его можем наблюдать и сейчас — оно с одинаковой интенсивностью приходит с разных направлений Вселенной, и его можно наблюдать с помощью радиотелескопов, настроенных на миллиметровый диапазон. Это излучение обладает очень большой степенью изотропности, то есть приходит со всех сторон с одинаковой интенсивностью. Колебания этой интенсивности излучения очень невелики — одна стотысячная. Из этих флуктуаций реликтового излучения и возникли те галактические структуры, которые мы сейчас наблюдаем.

Такая, как говорят астрономы, парадигма происхождения всей иерархии структур во Вселенной многое объясняет, она подтверждается численными расчетами и численными экспериментами, которые уже много лет проводятся во всем мире с помощью суперкомпьютеров.

Симулированные структуры очень напоминают эту ячеистую пенообразную структуру, которую реально наблюдают астрономы. Но, как любая теория, в особенности хорошая теория, эта концепция имеет свои слабые места. Одно из этих слабых мест как раз и связано с нашей Местной Группой галактик, потому что наша Местная Группа имеет такое же происхождение, как и другие малые группы галактик. Дело в том, что гравитационное скучивание темного вещества, в результате которого все структуры, которые мы теперь наблюдаем, родились, предсказывает, по теории, наличие вокруг каждой гигантской галактики сотен и тысяч небольших спутников. Но в нашей Местной Группе мы видим всего лишь пятьдесят объектов, которые можно считать, наряду с туманностью Андромеды и нашим Млечным Путем, структурами, которые возникли таким путем.

Где же остальные объекты? Эта проблема, эта сложность теории конденсации холодной небарионной материи называется проблемой недостающих спутников. Надо ее как-то решать, потому что в остальном концепция очень хорошо описывает все, что происходит, все, что мы видим во Вселенной. Одно возможное объяснение, самое простое: теория плоха, но она слишком хорошо объясняет все остальные эффекты, чтобы от нее отказаться. Значит, надо искать альтернативные объяснения. Может быть, с этими объектами, которые когда-то существовали вокруг нашей Галактики и галактики Андромеды, что-то произошло. Поэтому астрономы решили вести систематический поиск спутников, которые мы просто по каким-то причинам не видим. Действительно, существуют механизмы разрушения звездных скоплений, карликовых галактик, они хорошо известны в звездной динамике — это испарения звезд, приливные силы и другие всевозможные динамические эффекты.

На помощь астрономам-наблюдателям пришел выдающийся мировой проект, интернациональный проект Слоановского обзора неба, ведущийся на 2,5-метровом телескопе-рефлекторе, который установлен в обсерватории Апачи-Пойнт в штате Нью-Мексико на юге Соединенных Штатов Америки. Это международный проект, в котором участвует больше 200 человек со всего мира и 50 институтов.

В рамках этого проекта ведется поиск ранее неизвестных звездных скоплений, следов их распада и карликовых спутников в Галактике.

За последние 20 лет в рамках этого проекта обнаружено больше десятка ранее неизвестных спутников, причем часть из них обладает приливными шлейфами, вызванными взаимодействием этих распадающихся спутников с мощным гравитационным полем нашей Галактики.

Один замечательный пример — это карликовая галактика, которая наблюдается в направлении созвездия Стрельца, но по ту сторону от центра галактики, то есть очень далеко от нас. Она лежит практически в тонком слое, там же, где лежим мы, только в противоположной стороне галактики, и в оптическом диапазоне ее не видно, потому что пыль сильно ослабляет блеск этих звезд. В инфракрасном диапазоне удалось эту галактику рассмотреть, и, похоже, она находится как раз в процессе распада за счет взаимодействия с нашей Галактикой. Похоже, что в прошлом у нашей Галактики могли быть сотни таких спутников, которые наша Галактика могла съесть, как крупный хищник, за 13 миллиардов лет своего существования.