Как известно, пространство около галактик не пусто. Помимо невидимой темной материи, оно заполнено чрезвычайно разреженным газом. Эта «окологалактическая среда» (в научной литературе встречается термин Circumgalactic medium, CGM) пополняется веществом как из самой галактики путем оттока межзвездного газа, так и из межгалактического пространства. Однако до последнего времени почти не были исследованы ни масса таких гало, ни то, насколько эта среда богата тяжелыми химическими элементами, ни их связь с характеристиками галактик.

И вот недавно группа астрономов провела исследование 42 галактик (в том числе и нашей) на предмет изучения их гало. Наблюдения велись с помощью спектрографа COS (Cosmic Origins Spectrograph), установленного на телескопе «Хаббл», а также с помощью ряда наземных обсерваторий. Результаты были опубликованы 18 ноября в журнале Science в трех работах (см., например, здесь). Ведущие авторы трех исследований — Николас Ленер (Nicolas Lehner) из Университета Нотр-Дам в Саут-Бенд, штат Индиана; Джейсон Тамлинсон (Jason Tumlinson) из Научного института космического телескопа в Балтиморе, штат Мэриленд, и Тодд Трипп (Todd Tripp) из Университета штата Массачусетс.

В ходе обзора астрономы обнаружили вокруг галактик большие (размерами порядка 150 килопарсек) гало, в которых присутствуют ионизированный кислород, углерод, азот и другие тяжелые элементы. В оптике эти гало не видны, поскольку слишком разрежены и горячи. Их обнаружили спектроскопически, благодаря поглощению в спектрах далеких квазаров. Квазары, эти далекие маяки Вселенной, светят сквозь «туман» горячей плазмы, окружающий галактики. В ультрафиолетовых длинах волн спектрограф COS чувствителен к поглощению многих ионизованных тяжелых элементов, что, наряду с высокой чувствительностью инструмента, позволило ученым исследовать окружение тех галактик, которые находятся на пути света от гораздо более далеких квазаров.

гало галактик

Эта картинка иллюстрирует, как ультрафиолетовый свет от квазара, проходя через гало галактик, предоставляет ученым информацию о температуре, хим. составе и других характеристиках газа, входящего в их состав. Источник: NASA, ESA, and A. Feild (STScI). Science Credit: NASA, ESA, N. Lehner (University of Notre Dame), T. Tripp (University of Massachusetts, Amherst), and J. Tumlinson (STScI)

Ключевые результаты. Млечный Путь

Оказалось, что цвета и формы галактик в значительной степени регулируются при помощи газа из протяженных гало вокруг них. Ни одна из современных моделей формирования галактик не может объяснить их наблюдаемые свойства без моделирования аккреции межгалактического газа и процессов его выдувания обратно в гало, порождающего своего рода «круговорот» межзвездного газа. В работах рассмотрены различные аспекты этого феномена.

«Наши результаты подтверждают подозрения теоретиков, что галактики могут выдувать, а затем заново всасывать и перерабатывать газ из гало. Но они также представляют новый вызов для теоретических моделей; теперь мы должны понять, как именно текут эти потоки газа, чтобы интегрировать их в общую картину формирования галактик», — говорит Тамлинсон.

С помощью спектрографа COS астрономы показали, что на нашу Галактику падает большая масса облаков, питая собой текущее звездообразование внутри Млечного Пути. Эти облака ионизованного водорода находятся в пределах 20 тысяч световых лет от галактического диска в гало Млечного Пути и содержат достаточно материала, чтобы создать 100 миллионов солнц. Часть этого газа — уже использованный когда-то материал, постоянно пополняемый за счет взрывов новых и сверхновых звезд. Мощные взрывы, а также излучение горячих звезд-гигантов выбрасывают химически обогащенный газ обратно в гало, откуда он вновь падает на диск.

Количество поступающего из гало газа равно примерно 1 массе Солнца в год. Это сопоставимо с темпами звездообразования в нашей галактике. При такой скорости Млечный Путь будет и дальше рождать звезды еще миллиарды лет, совершая круговорот газа в гало и обратно. «Теперь мы знаем, где находится недостающее топливо для галактического звездообразования», — заключает Ленер.

Другие галактики

Еще одной целью исследования было изучение того, как другие галактики аккрецируют (т. е. всасывают) газ. Но вместо ожидаемой аккреции, астрономы обнаружили почти повсеместно обширные гало из горячего газа, богатого тяжелыми элементами. В некоторых случаях газ расширился до 450000 световых лет за пределы видимой части галактических дисков!

Как оказалось, такие гало окружают галактики с весьма энергичными процессами звездообразования. Скорость формирования звезд в них порядка 100 солнечных масс в год. Процессы, сопровождающие столь мощное звездообразование, буквально выдувают разогретый межзвездный газ очень далеко в межгалактическое пространство. Фактически, большая часть газа покидает гало галактик навсегда. А это значит, что он никогда не вернется в диск для «дозаправки» процессов рождения звезд. Процесс круговорота газа прерывается, и звездообразование в таких галактиках довольно скоро затухает.

процессы круговорота газа в галактиках

Форма и цвет галактики во многом определяется газом из окружающего гало. В галактиках с мощными процессами звездообразования (слева) газ из гало выдувается в межгалактическое пространство, тем самым способствуя быстрому прекращению формирования звезд. Галактики с умеренным звездообразованием (справа) могут поддерживать оное в течение многих миллиардов лет, благодаря «зеленым» технологиям безотходного производства. Источник: NASA, ESA, and A. Feild (STScI). Science Credit: NASA, ESA, N. Lehner (University of Notre Dame), T. Tripp (University of Massachusetts, Amherst), and J. Tumlinson (STScI)

Открытие больших масс газа, богатого тяжелыми элементами, да еще далеко за пределами галактик, стало большим сюрпризом. С помощью спектрографа COS ученые оценили массу кислорода в некоторых гало. Она оказалась равной 10 миллионам солнечных масс, что соответствует полной массе газа в 1 млрд. масс Солнца! Это столько же, сколько газа во всей межзвездной среде диска обычной галактики. И еще одно подтверждение того, что звездообразование в таких галактиках относительно скоротечно.

    Обратите внимание, что огромная масса богатого тяжелыми элементами газа, изъятая из дисков галактик, может привести к задержке и даже полному прекращению формирования землеподобных планет в таких звездных системах. В конечном счете, это самым негативным образом влияет на зарождение и развитие жизни в таких галактиках. Любопытный результат, не правда ли?

Собственно говоря, наблюдения показывают, как богатые газом спиральные галактики с мощным звездообразованием могут эволюционировать в спокойные эллиптические галактики, в которых процессы формирования звезд вообще не идут.

И здесь мы приходим к главному выводу.

    Чтобы на протяжении долгого времени оставаться активной и «живой», галактика должна научиться безотходному производству, многократно перерабатывая газ из галактического гало. Эта «зеленая» переработка предохраняет галактики от опустошения «топливных баков» и, следовательно, продлевает в них процессы формирования звезд до 10 и более миллиардов лет. Однако в тех галактиках, где процессы звездообразования проходили в лавинообразном темпе, в настоящий момент звезды почти не формируются. Это произошло из-за того, что топливо из их гало было попросту сдуто прочь мощным излучением миллионов молодых и горячих звезд, а также взрывами новых и сверхновых.