Книга: 100 великих загадок астрономии

Происхождение шаровых скоплений

Происхождение шаровых скоплений

Шаровые скопления долгое время считались реликтами, оставшимися от ранней эпохи Вселенной. Сценарий их появления был следующим. Когда под действием собственной силы тяжести гигантские облака первородного газа, заполнявшие космос, сжимались, то из отдельных уплотнений, образовавшихся вокруг будущих галактик, стали возникать шаровые звездные скопления. Их траектории еще и сегодня очерчивают контуры тех облаков газа.

Однако этот сценарий, как понятно теперь, верен отнюдь не полностью. И даже не наполовину. Компьютерные модели и результаты наблюдений, проводимых с помощью новейших телескопов, заставляют по-новому взглянуть на происхождение шаровых скоплений и их природу. Процессы, протекавшие во Вселенной в далеком прошлом, оказались значительно сложнее строгой схемы.

Еще недавно принято было считать, что все шаровые скопления, как счастливые семьи, похожи друг на друга. Теперь становится ясно, что эти объекты очень неоднородны. Они могут возникать по-разному. В одних случаях формируются сразу, целиком, в других – за счет слияния отдельных небольших звездных систем. Они заметно разнятся по своей массе, химическому составу, плотности и даже возрасту. Шаровые скопления нельзя называть лишь «наследием далекого прошлого Вселенной». Похоже, они образуются в галактиках по сей день.

Еще в 1975 году канадский астроном Сидней ван ден Берг обнаружил в Большом Магеллановом Облаке пару шаровых скоплений, которые заметно моложе, чем другие скопления в этой соседней галактике. Их возраст – около 3 миллиардов лет.

В 1990-е годы у астрономов сложилась уверенность в том, что есть два класса шаровых скоплений. Одни из них окрашены в голубой цвет, другие – в красный. Их окраска указывает на то, что они образовались в разное время и что механизм формирования их разнится.

По всей видимости, голубые шаровые скопления возникли очень давно, вскоре после Большого взрыва. Возраст древнейших звезд в них – от 12 до 13 миллиардов лет. Они формировались в локальных уплотнениях первородного газа, почти равномерно растекавшегося по Вселенной.

Уже в ту далекую эпоху она была заполнена не только газом, но и загадочным темным веществом, которое состоит из не известных науке элементарных частиц. По оценке космолога Джеймса Пиблса из Принстонского университета, вскоре после Большого взрыва в нашей Галактике образовались облака, содержавшие до 100 миллионов солнечных масс темного вещества и нескольких миллионов солнечных масс водорода и гелия. Но, к удивлению астрономов, в то время как в гало различных галактик, в том числе и карликовых галактик, содержится большое количество темного вещества, в шаровых скоплениях его по неизвестной причине не обнаруживают.

Вообще говоря, процессы образования первых галактик и их эволюция кажутся теперь гораздо более сложными, нежели пару десятилетий назад. Зарождение галактик, их столкновения и слияния сыграли важную роль и в формировании шаровых скоплений.

Еще в 1980-е годы американский астроном Франсуа Швейцер предположил, что вихревые процессы, возникавшие при столкновении первых галактик, сопровождались уплотнением газовых облаков, и это приводило к появлению шаровых скоплений. При столкновении спиральных галактик, уже содержавших шаровые скопления, возникала новая их генерация. Этот «галактический каннибализм» способствовал рождению молодых скоплений, окрашенных в красные цвета.

Того же мнения придерживается и Кит Ашман из университета Миссури: «При зарождении спиральных галактик образуются шаровые скопления. А когда эти галактики сталкиваются, возникают новые шаровые скопления». Кит Ашман и его коллега Стивен Зепф из Мичиганского университета выдвинули подобную гипотезу и предсказали, что существуют две генерации шаровых скоплений, еще в 1992 году – до того, как астрономам удалось обнаружить эти молодые скопления.

Теперь они известны, например, в галактиках NGC 1275 и NGC 7252 и, прежде всего, в так называемых «галактиках Антенны» NGC 4038 и NGC 4039. Последние находятся в созвездии Ворона, на расстоянии 63 миллионов световых лет от Земли. Это две самые близкие к нам столкнувшиеся галактики. Свое название они получили из-за двух вытянутых полос газа и звезд – так видоизменились их спирали под действием силы притяжения соседней галактики. Подобные полосы напоминают усики («антенны») насекомых. Результатом слияния «звездных островов» является эллиптическая галактика.

Галактики Антенны?– NGC 4038 и NGC 4039

Наблюдая за этой космической катастрофой, Швейцер и его коллеги обнаружили несколько сотен молодых массивных звездных скоплений, которые можно назвать «протошаровыми скоплениями». Они насчитывают до миллиона звезд и образовались всего несколько десятков миллионов лет назад. Разумеется, лишь часть этих скоплений уцелеет; остальные со временем распадутся, а звезды, составлявшие их, рассеются на просторах галактики.

Тем более, пока не подтверждено, что из подобных скоплений звезд могут вырасти настоящие шаровые скопления, а потому все сказанное остается лишь гипотезой. Кроме того, галактики редко сталкиваются, и если даже при их коллизии образуется сотни шаровых скоплений, то почему, например, эллиптическая галактика М 87 содержит свыше 10 тысяч шаровых скоплений? Она, что, образовалась в результате последовательного (или одновременного?) столкновения десятков галактик? Или, может быть, при столкновениях галактик в ту пору, когда наша Вселенная была молодой, возникало гораздо больше шаровых скоплений? «Я полагаю, – пишет канадский астроном Уильям Харрис, рассуждая о галактике М 87, – что большинство этих красных скоплений образовалось за счет слияния газовых облаков на ранней стадии существования Вселенной. Наверняка играли важную роль и какие-то другие физические процессы – вопрос только в том, какие».

Различные модели формирования шаровых скоплений требуют скрупулезной проверки. Модели же эти, резюмируем сказанное, таковы:

а) Двухступенчатый коллапс. Голубые шаровые скопления образуются при коллапсе протогалактических облаков, которые почти не содержат тяжелых элементов. Через несколько миллиардов лет после этого наступает вторая фаза коллапса, которая приводит к формированию красных шаровых скоплений. Звезды, их составляющие, содержат значительно больше тяжелых элементов, которые образовывались после взрывов первых звезд. Однако эта теоретическая модель окончательно не разработана.

б) «Иерархическое образование». Красные шаровые скопления вырастают из газовых облаков, которые сливаются друг с другом, что приводит к возникновению новых галактик и новых шаровых скоплений. Но эта модель с трудом поддается проверке.

в) При столкновении и слиянии спиральных галактик образуются громадные эллиптические галактики. Эта катастрофа приводит к появлению новых – сравнительно молодых – шаровых скоплений. Недостаток этой гипотезы в том, что при столкновении галактик зарождается слишком мало шаровых скоплений.

г) Эллиптические галактики поглощают расположенные поблизости от них карликовые галактики и при этом «присваивают» себе их шаровые скопления. Однако, если эта гипотеза верна, то эллиптические галактики должны поглотить очень много карликовых галактик, чтобы обзавестись тем количеством шаровых скоплений, которым они обладают.

В принципе, различные сценарии формирования шаровых скоплений отнюдь не противоречат друг другу. Так как все-таки рождаются эти скопления?