Шаровые скопления астрономы нередко называют «космическими археологическими ископаемыми». Эти древние звездные системы хранят информацию о событиях, происходивших вскоре после рождения на самых ранних этапах образования галактик. Ученые Южного федерального университета и Специальной астрофизической обсерватории РАН обнаружили, что древние шаровые скопления и окологалактические газовые облака демонстрируют одинаковые этапы химической эволюции.
The Antennae Galaxies (also known as NGC 4038 and 4039) are a pair of distorted colliding spiral galaxies about 70 million light-years away, in the constellation of Corvus (The Crow). This view combines ALMA observations, made in two different wavelength ranges during the observatory’s early testing phase, with visible-light observations from the NASA/ESA Hubble Space Telescope. The Hubble image is the sharpest view of this object ever taken and serves as the ultimate benchmark in terms of resolution. ALMA observes at much longer wavelengths which makes it much harder to obtain comparably sharp images. However, when the full ALMA array is completed its vision will be up to ten times sharper than Hubble. Most of the ALMA test observations used to create this image were made using only twelve antennas working together — far fewer than will be used for the first science observations — and much closer together as well. Both of these factors make the new image just a taster of what is to come. As the observatory grows, the sharpness, speed, and quality of its observations will increase dramatically as more antennas become available and the array grows in size. This is nevertheless the best submillimetre-wavelength image ever taken of the Antennae Galaxies and opens a new window on the submillimetre Universe. While visible light — shown here mainly in blue — reveals the newborn stars in the galaxies, ALMA’s view shows us something that cannot be seen at those wavelengths: the clouds of dense cold gas from which new stars form. The ALMA observations — shown here in red, pink and yellow — were made at specific wavelengths of millimetre and submillimetre light (ALMA bands 3 and 7), tuned to detect carbon monoxide molecules in the otherwise invisible hydrogen clouds, where new stars are forming. Massive concentrations of gas are found not only in the hearts of the two galaxies but also in the chaotic region where they are colliding. Here, the total amount of gas is billions of times the mass of the Sun — a rich reservoir of material for future generations of stars. Observations like these will be vital in helping us understand how galaxy collisions can trigger the birth of new stars. This is just one example of how ALMA reveals parts of the Universe that cannot be seen with visible-light and infrared telescopes. #LИнформацияИсследователи изучили процессы, которые могли сопровождать образование шаровых скоплений — одних из самых древних объектов во Вселенной. Результаты исследования помогают лучше понять, как формировались первые поколения звезд и как менялся химический состав вещества в молодых галактиках.
Шаровые скопления представляют собой плотные системы, содержащие сотни тысяч и даже миллионы звезд. Многие из них возникли более 10 миллиардов лет назад, поэтому ученые рассматривают такие объекты как своеобразные свидетели ранней истории Вселенной.
В научной работе сравнили свойства шаровых скоплений, наблюдаемых в современной Вселенной, и окологалактических газовых облаков, существовавших на разных этапах космической эволюции. Особое внимание было уделено металличности — содержанию в веществе химических элементов тяжелее водорода и гелия.
Для астрономов металличность служит важным индикатором возраста и истории вещества. Сразу после Большого взрыва тяжелых элементов практически не существовало. Они постепенно накапливались благодаря звездам, которые синтезировали новые химические элементы и выбрасывали их в окружающее пространство после завершения своей эволюции.
Анализ показал, что распределения шаровых скоплений и окологалактических облаков по металличности имеют схожую структуру. В обоих случаях ученые обнаружили несколько характерных этапов химического обогащения вещества.Доцент, к.ф.-м.н., заведующая кафедрой физики космоса Ирина Ачарова рассказала:
«Статистика распределения окологалактических облаков и шаровых скоплений по металличности однозначно свидетельствует о том, что на каждые 3 млн масс Солнца звезд приходилась масса облака 100 млн масс Солнца. Таким образом, сделан вывод об эффективности звездообразования на ранних этапах эволюции».
Наблюдая удаленные окологалактические облака, астрономы одновременно смотрят и в прошлое. Свет от самых далеких объектов идет к Земле миллиарды лет, поэтому современные телескопы позволяют увидеть Вселенную такой, какой она была задолго до появления Солнечной системы.
На основе этих данных исследователи рассмотрели сценарий, согласно которому крупные газовые облака могли последовательно проходить несколько стадий накопления тяжелых элементов. На каждом из таких этапов в облаках могли формироваться новые шаровые скопления, после чего химический состав вещества продолжал изменяться под влиянием последующих поколений звезд.
Кроме того, авторы оценили, как свойства звезд могли зависеть от химического состава среды, в которой они образовывались. Были получены оценки максимальной массы звезд, способных завершить свою эволюцию взрывом сверхновой, для различных этапов химического обогащения вещества.
Исследования могут быть полезны при интерпретации данных современных наземных и космических обсерваторий. Сегодня астрономы получают все больше информации о далеких галактиках ранней Вселенной, и подобные модели помогают понять, какие процессы происходили в них миллиарды лет назад.
«Разработанная методика анализа свойств шаровых скоплений и окологалактических облаков в современную эпоху позволяет прояснить процессы, происходящие на начальных этапах формирования галактик», — отметила Ирина Ачарова.
Полученные результаты помогают лучше понять процессы звездообразования в ранней Вселенной и историю формирования древнейших звездных систем. По мнению исследователей, изучение шаровых скоплений позволяет восстанавливать события, происходившие миллиарды лет назад, когда формировались первые поколения звезд и галактик.
Если бы ранняя Вселенная не научилась эффективно производить и распространять тяжелые элементы, в ней никогда не появились бы каменистые планеты, подобные Земле. Это еще и поиск ответа на вопрос о происхождении вещества, из которого состоим мы сами. Все атомы железа в нашей крови, кальция в костях и кислорода, которым мы дышим, когда-то были созданы внутри звезд. Поэтому исследования первых поколений звезд помогают понять, почему современная Вселенная выглядит именно так.
Центр общественных коммуникаций Южного федерального университета. Фото предоставлено автором.
