 |
Астронет: И. О. Дроздовский/АИ СПбГУ Галактики за Млечным Путем http://variable-stars.ru/db/msg/1169716 |
Галактики за Млечным Путем
R.C.Kraan-Korteweg
и O.Lahav
перевод Игоря
Дроздовского
|
|
ТЕМЫ:
Приподнять вуаль
КАРТИНКИ: Галактика
|
|
|
В темную ночь, вдали от городских огней, мы можем легко видеть диск нашей Галактики (Млечный Путь), мерцающий свет от которого в виде широкой полосы пересекает весь небосклон. Это диффузное свечение приходит как от нескольких сотен миллиардов звезд, так и в результате рассеянья света на крошечных частичках пыли и газа в межзвездном пространстве. Мы находимся на расстоянии порядка 8 кпк от центра нашей Галактики в близи от середины этого диска. Для астрономов, изучающих внегалактическую Вселенную вблизи плоскости Млечного Пути, этот восхитительный свет является постоянным источником головной боли. Дело в том, что диск не пропускает около 20% от всего космического излучения, между тем в этих 20% скрыто довольно много интересного.
Например, где-то за диском находятся важные части двух самых больших структур в локальной Вселенной: сверхскопление галактик в cистеме Персей-Печь и "Великий Аттрактор", гигантская агломерация вещества, чье существование было выявлено из анализа движений в космосе нескольких тысяч галактик. Наблюдения выявили значительное число ярких и близких галактик, находящихся в направлении на Млечный Путь. Можно ожидать также соблазнительно большое число еще не выявленных близких галактик, скрывающихся за диском нашей Галактики. Без знания того, что находится за этим экраном, исследователи не могут составить полную карту распределения вещества в нашей части Космоса. Это в свою очередь мешает разрешить некоторые наиболее важные вопросы в космологии. Каковы размеры космических структур? Как они формируются? Какова совокупная плотность вещества во Вселенной?
Свет сквозь Млечный Путь
Только в последние годы астрономы придумали методы, позволяющие заглянуть за диск и восстановить скрытые части Вселенной, приблизившись к пониманию того, какие эффекты должен оказывать диск Млечного Пути на закрываемые им части. Несмотря на то, что эта достаточно сложная задача еще далека от разрешения, некоторые эффектные открытия последнего времени показали, что все эти усилия стоят того. Например, астрономы обнаружили новую галактику, которая могла бы доминировать на нашем небе, если бы ее свет не поглощался диском. Также они обнаружили доселе неизвестное колоссальное скопление галактик и даже смогли бросить первый взгляд на ядро неуловимого Великого Аттрактора.
Осознание факта поглощения света галактик диском Млечного Пути впервые пришло после того как астрономы стали различать внешние галактики и внутренние туманности, и те и другие видимые как просто слабые протяженные объекты. Так как галактики в те времена открывали повсюду, кроме зоны Млечного Пути, эта область была названа "зона избегания". Ученые сейчас знают, что внешние галактики состоят из нескольких миллиардов звезд и бесчетного количества облаков газа и пыли. В зоне избегания свет от галактик обычно теряется в свете огромного числа фоновых звезд или поглощается пылью нашей Галактики.
Астрономы, занимающиеся внегалактической астрофизикой, как правило избегают наблюдать в этой зоне, слишком насыщенной фоновыми объектами по сравнению с другими областями неба. Поворот в сознании произошел 20 лет назад, когда были проведены наблюдения, давшие намек на то, что мы теряем. Простые измерения космического фонового излучения, являющегося остатком от большого взрыва, показали 180 градусную ассиметрию, известную как диполь. Она проявляется в нагреве на 0.1% космического фонового излучения по сравнению со средним в одном направлении и в таком же охлаждении в противоположной стороне. Эти измерения были подтверждены исследованиями на спутнике Cosmic Background Explorer в период с 1989 по 1990, свидетельствующими о том, что наша галактика и ее соседи, составляющие так называемую Местную Группу, движутся со скоростью около 600 км/с в направлении созвездия Гидра. Это направление было получено после поправки за все известные движения, как то: вращение Солнца вокруг центра Галактики и движение нашей Галактики по направлению к ее соседке, спиральной галактике Андромеда.
Dwingeloo 1Какова причина этого движения, которое проявляется в небольшом отклонении от "однородного" расширения Вселенной? Галактики собираются в группы и скопления, которые в свою очередь составляют сверхскопления, оставляя другие области лишенными галактик. Неоднородно распределенная масса вещества, окружающая Местную Группу может вызвать несбалансированное притяжение, тянущие МГ в одном направлении. На первый взгляд кажется трудно поверить, что галактики могут влиять друг на друга через огромные расстояния, разделяющие их. Но при учете их масс оказывается, что галактики ближе друг к другу, чем индивидуальные звезды внутри нашей Галактики.
Ожидаемая скорость Местной Группы может быть подсчитана из суммирования гравитационных сил, производимых всеми известными галактиками. Несмотря на то, что результирующий вектор находится внутри 20 градусов наблюдаемого космического фонового диполя, вычисления остаются сильно неоднозначными, частично из-за того, что не берутся в рассчет галактики за зоной избегания.
Затянувшееся разногласие между направлением на диполь и ожидаемым вектором скорости вынудили астрономов вводить "аттракторы". Одна исследовательская группа, позднее упоминавшаяся как "Семь Самураев", использовала движения сотен галактик для заключения о существовании Великого Аттрактора находящегося на расстоянии около 60 Мпк [см., например, "The Large-Scale Streaming of Galaxies," Alan Dressler'а; Scientific American, September 1987]. Местная Группа по-видимому поймана в космическое состязание между Великим Аттрактором и находящемся на таком же расстоянии сверхскоплении Персей-Печь. Для того, чтобы знать, которое из них выиграет это гравитационную войну астрономам надо выяснить массу скрытых частей этих структур.
Оба из них являются компонентами длинной цепочки галактик, известных под названием "Сверхгалактическая плоскость". Формирование подобной мегаструктуры тесно связано с природой невидимой темной материи, которая составляет основную массу Вселенной. В цепочках галактик во Вселенной вероятнее всего преобладают частицы так-называемой горячей темной материи (вроде массивных нейтрино), а не холодной темной материи (такие как аксионы, или другие гипотетические частицы). Но астрономы не могут сделать однозначный выбор между этими двумя возможностями до тех пор, пока не сделают полную карту структур.
Приподнимая вуаль
При рассмотрении движения основной массы Местной Группы нельзя игнорировать ни одну из близких галактик. В силу того, что сила притяжения зависит от квадрата расстояния до объекта, основной вклад вносят именно близкие галактики несмотря на их небольшие массы. Любопытно, что пять из восьми самых ярких галактик лежат в зоне избегания; они настолько близки и ярки, что их свет пробивает завесу. Эти галактики принадлежат к группам Центавр A и IC342/Maffei, близких соседей нашей Местной Группы. Помимо известных членов этих групп, которых астрономы умудряются наблюдать, существуют вероятно еще много других, чей свет полностью блокируется нашей Галактикой.
Несомненно, наша наблюдательная позиция могла быть еще хуже. Если бы мы жили в близкой галактике Андромеда, непрозрачная часть сильно бы не изменилась, но мы бы не смогли так четко видеть скопление галактик в Деве (Virgo). Но даже закоренелый оптимист должен согласиться с тем, что нам в некотором степени и не повезло. Так как орбита Солнца наклонена к плоскости Галактики, Солнечная Система принимает участие в эпициклическом движении над и под плоскостью. В данный момент мы смещены только на 10 пк от нее. Если бы мы родились 15 миллионов лет назад, мы бы находились почти на 100 парсек выше плоскости -- вне толстого поглощающего слоя -- и могли бы видеть одну сторону сегодняшней зоны избегания. Через 35 миллионов лет мы пересечем диск Млечного Пути и окажемся на другой стороне.
Большинство астрономов не хочет ждать так долго, чтобы изучать внегалактическое небо за зоной избегания. Что в то же время они могут делать ? Первый шаг -- тщательное изучение существующих оптических изображений. Пыль в зоне избегания не полностью заслоняет каждую галактику; у части галактик свет пробивается к нам, хотя они и выглядят значительно ослабленными и невзрачными при приближении к середине галактической плоскости. Необычный вид этих галактик в комбинации с высокой плотностью фоновых звезд, не позволяет использовать стандартное программное обеспечение анализа изображений для поиска галактик. Так что нескольким группам астрономов приходится вернуться к старому визуальному способу анализа изображений. Фотографические пластинки и пленки, полученные на телескопе Шмидта в Паломарской Обсерватории и на аналогичных телескопах в Южном Полушарии, проводимые с 1950-х годов, были тщательно изучены за последние 10 лет. Исследователи перекрыли большую часть зоны избегания, отождествив около 50000 ранее не внесенных в каталоги галактик.
Однако в областях, где поглощение света пылью особенно сильно, галактики полностью затемнены и требуются другие методы, а именно, переход в наблюдения в более длинноволновой области спектра. Дело в том, что с увеличением длины волны уменьшается взаимодействие падающего излучения с микроскопическими частичками пыли. Наблюдения на длине волны в 21-см, соответствующей спектральной линии нейтрального водорода, являются одними из наиболее предпочтительных. Оно выявляет след богатых газом спиральных галактик, которые наиболее тусклые, а также самые многочисленные карликовые галактики, за исключением бедных газом эллиптических галактик.
В 1987 начался пионерский проект Patricia A. Henning из University of New Mexico и Frank J. Kerr из University of Maryland. Они направили 91-метровый радиотелескоп Green Bank, W.Va. на случайно обнаруженную область в зоне избегания и зарегистрировали 18 неизвестных галактик. К сожалению, этот телескоп рухнул до того, как они закончили свой проект. Более систематический обзор был начат в рамках международного проекта, в коллектив которого входили авторы статьи. Проводимый с использованием 25-метрового Dwingeloo радио-телескопа в Голландии, этот долговременный проект имеет целью поиск всех спиральных галактик в северной части зоны избегания, вплоть до расстояния 55 Мпк. К настоящему времени открыто порядка 40 галактик.
В 1997 году начался другой международный проект, под руководством Lister'а Staveley-Smith'а из Australia Telescope National Facility в Marsfield'е и одного из авторов (Kraan-Korteweg), с целью сделать аналогичный обзор южной части Млечного Пути. Этот обзор, который пытается обнаружить галактики с расстояниями до 150 Мпк, использует специально построенный инструмент: 64-метровый радио-телескоп в Parkes, Австралия. Уже обнаружено более 100 галактик и ожидается обнаружить еще несколько тысяч, когда обзор сделает полную выборку.
Радио-волновые полосы -- не единственные окна в зоне избегания. Инфракрасный свет также менее подвержен поглощению на пыли по сравнению с видимым. В начали 1980-х Infrared Astronomical Satellite (IRAS) сделал обзор всего неба в далеких инфракрасных волнах (которые ближе к радио-волнам). Он в порядке эксперимента смог обнаружить галактики яркие в инфракрасном свете, преимущественно спиральные и со вспышкой звездообразования, в которых звезды образуются быстро и в большом количестве. Кандидаты в галактики, выбранные с помощью IRAS'а, сейчас заново проверяются по изображениям, полученным в близких инфракрасных волнах (которые ближе к видимому свету).
К 2000-му году должны быть закончены два обзора в близкой инфракрасной области: Two Micron All-Sky Survey -- Американский проект, и DENIS, -- Европейский проект, который направлен на изучение южного неба. Оба обзора получают цифровые изображения в трех длинах волн, которые зондирует старое звездное население в галактиках. Обзоры легко обнаруживают эллиптические галактики, находящихся как правило в центрах плотных скоплений галактик; поэтому они являются хорошим дополнением к далеким инфракрасным и радио-обзорам, которые преимущественно чувствительны к поиску спиральных галактик. Первые исследования показывают, что близкие инфракрасные обзоры могут обнаружить те галактики, которые оказались ниже порога чувствительности для оптических фотопластинок. К сожалению, ни оптические, ни инфракрасные длины волн не могут выявить галактики в самых плотных частях галактической плоскости.
Другая возможность преодолеть поглощение -- наблюдать на очень коротких длинах волн, как то рентгеновские. Обильно населенные скопления галактик хорошо излучают в рентгене, который почти без поглощения проходит толщу Млечного Пути. Но до сих пор не проведено соответствующее изучение рентгеновских данных, полученных на спутнике Rosat и на других подобных спутниках.
В дополнение к прямым наблюдениям, астрономы исследуют зону избегания с помощью непрямых оценок средних. Методы обработки сигналов, применяемые инженерами к зашумленным и неполным данным, успешно используются исследователями из Hebrew University и один из авторов статьи (Lahav) вычислил координаты и массы скоплений в Корме (Puppis) и в созвездии Паруса (Vela), а также протяженность Сверхгалактической Плоскости в зоне избегания. Скорости галактик вблизи обеих краев зоны избегания используются для оценки распределения масс в ней. С помощью этого метода центр Великого Аттрактора был предсказан лежащим на линии, соединяющей созвездия Центавр (Centaurus) и Павлин (Pavo). Эти методы восстановления, однако, работают только для крупномасштабных структур в зоне; он не чувствителен к индивидуальным галактикам и небольшим скоплениям.
Жертва Млечного Пути
Подобные методы медленно открывают для нас спрятанную пятую часть Вселенной. Одно из наиболее удивительных открытий было сделано в 1994 году, когда Rodrigo A. Ibata из University of British Columbia, Gerard F. Gilmore из University of Cambridge и Michael J. Irwin из Royal Greenwich Observatory, изучавшие звезды нашей Галактики случайно обнаружили галактику, находящуюся совсем рядом. Названная Карликовая в Стрельце (Sagittarius dwarf), она является самой близкой из всех известных галактик -- всего 24 кпк от Солнечной Системы, что составляет меньше половины расстояния до следующего по близости Большого Магелланова Облака. Фактически она находится внутри нашей Галактики, в дальней стороне от галактического центра.
Так как Sagittarius dSph находится сразу за центральным балджем нашей Галактики, его невозможно обрисовать без специальных методов. Галактика была обнаружена из измерения лучевых скоростей звезд: наблюдатели выделили группу звезд, имеющих лучевую скорость, отличную от скорости нашей Галактики. Выделяя звезды с данной скоростью и звезды, с такой же яркостью и цветом, и исключая известные фоновые звезды они сделали карту этой карликовой галактики. Она имеет угловой размер по крайней мере несколько градусов, что делает ее самой большой видимой структурой на небе после Млечного Пути. Ее угловой размер соответствует диаметру по крайней мере 8.5 кпк, около 1/5 размера нашей Галактики, а ее масса в 1000 раз меньше.
Многие известные модели формирования галактик постулируют, что большие галактики формируются в процессе долгого процесса поглощения значительного числа небольших галактик. Подобный механизм должен действовать и сейчас, хотя и наблюдается довольно редко. Sagittarius кажется претерпел некоторые разрушения под воздействием приливных сил от нашей Галактики, однако разрушение ядра этой галактики неожиданно незначительно. Карликовая галактика должна была совершить не менее 10 оборотов по орбите вокруг нашей Галактики, и несмотря на это осталась в основном неповрежденной, что может означать, что она содержит большое количество темной материи. Так или иначе, ее смерть -- лишь вопрос времени; некоторые расчеты предсказывают, что она будет полностью поглощена нашей Галактикой через миллиард лет. Открытие этой галактики показывает, что поглощение галактик происходят и в наше время и что они не обязательно разрушают диск большей галактики.
Sagittarius -- один из многих сюрпризов, которые преподнесло изучение зоны избегания. В августе 1994 года, авторы и остальные члены команды программы Dwingeloo Обзора Затемненных Галактик, изучали радио-спектры на 21см. Они выбрали область зоны избегания, где пропадают многие волокна Млечного Пути вблизи группы IC342/Maffei. Был зарегистрирован один из интересных спектров в направлении созвездия Кассиопея (Cassiopeia). Радио-сигнал имеет склонность интерферировать, что может дать фиктивный внегалактический радио-профиль; более того, изображение перекрывается излучением газа нашей галактики. Разнообразные тесты подтвердили сигнал, означая открытие до тех пор неизвестной близкой галактики.
George K. T. Hau из University of Cambridge обнаружил экстремально слабый в оптике объект, который совпадал по положению с радио-сигналом. Вскоре были получены более глубокие изображения на различных телескопах, которые полностью выявили форму галактики, названной Dwingeloo 1: бар с двумя выдающимися спиральными ветвями. Если бы она не находилась за диском Млечного Пути, то была бы одной из 10 ярчайших галактик на нашем небе. Судя по скорости ее вращения, она имеет массу, составляющую треть от массы нашей Галактики, что делает ее сравнимой с M33, третьей по массе галактики в Местной Группе после нашей Галактики и галактики Андромеда.
Во время проведения пилотных наблюдений Dwingeloo 1 Westerbork Synthesis Radio Telescope в Голландии открыл вторую галактику всего в 20 угл.минутах от первой: Dwingeloo 2 -- карликовая галактика, диаметром в 2 раза меньшим и массой в 10 раз меньшей по сравнению с Dwingeloo 1. Расположенная на расстоянии около 10 Мпк, пара галактик находится недалеко от Местной Группы. Она кажется гравитационно связанной с группой IC342/Maffei. В последнее время было открыто еще несколько галактик в этом комплексе.
Хотя астрономы должны еще изучить многие части зоны избегания, уже сейчас они могут указать на другие близкие галактики сопоставимые по размерам с галактикой Андромеда. Наша Галактика и Андромеда в действительности являются доминирующими галактиками в Местной Группе. Однако еще возможно найти другие большие близкие галактики, что может убрать несоответствия в кинематике нашего близкого окружения.
Скопления и Сверхскопления
Исследование зоны избегания перевернуло также взгляды астрономов на более далекую Вселенную. С помощью 100-метрового радио-телескопа около Эффельсберга в Германии астрономы открыли новое скопление, удаленное на 20 Мпк в созвездии Корма (Puppis). Учитывая также другие доводы, включая анализ галактик, открытых с помощью спутника IRAS можно сделать заключение о лучшем согласии движении Местной Группы с положением космического фонового диполя при добавлении влияния скопления в Корме.
Могут ли эти поиски пролить свет на Великий Аттрактор ? Хотя плотность видимых галактик увеличивается в предполагаемом направлении на Великий Аттрактор, центр этой аморфной массы все еще ускользал от исследователей. Скопление было обозначено впервые George'м O. Abell'ем в 1980-х практически в правильном направлении; в то время это было единственное известное скопление в зоне избегания. Однако оно включало только 50 галактик, что не могло составлять достаточную массу для аттрактора.
Подлинное богатство и значимость этого скопления стала понятна лишь в последнее время. Kraan-Korteweg и Patrick A. Woudt из European Southern Observatories в Garching'е Германии, открыли еще 600 галактик в этом скоплении. С коллегами из Франции и Южной Африки, они провели спектральные наблюдения этого скопления на различных телескопах, находящихся в Южном Полушарии. Наблюдаемые лучевые скорости галактик предполагают, что скопление на самом деле очень массивное, которое в паре с хорошо известным скоплением в Coma (Волосы Вероники) содержат около 10000 масс нашей Галактики. В конце концов, астрономам удалось выяснить центр Великого Аттрактора. Вместе с окружающими скоплениями, это открытие может полностью объяснить наблюдаемые движения галактик в ближайшей Вселенной.
Иерархия космических структур на этом не заканчивается. Поиски в зоне избегания обнаружили еще большие концентрации. Сверхскопление на расстоянии около 100 Мпк в созвездии Ophiuchus (Змееносец) было зарегестрировано Kenichi Wakamatsu из Gifu University в Японии. Несмотря на то что это скопление находится за центром нашей Галактики и чрезвычайно переполнен фоновыми звездами Wakamatsu удалось выявить тысячи его галактик на пластинках обзора неба. Сверхскопление в Змееносце может быть связано с другим сверхскоплением в созвездии Hercules (Геркулес).
Для нескольких поколений астрономов зона избегания была препятствием для исследования таких фундаментальных вопросов, как формирование нашей Галактики, природа движения Местной Группы, связь между цепочками галактик и действительное число галактик во Вселенной. Усилиями астрономов за последнее десятилетие этот экран был пробит: бывшая зона избегания стала одной из наиболее притягательных областей внегалактического неба. Загадочный Великий Аттрактор сейчас хорошо очерчен; открытие карликовой галактики Sagittarius dSph прояснили вопрос формирования Млечного Пути, а огромные космические волокна бросили вызов теориям темной материи и образования структур. Астрономы ожидают еще больших сюрпризов от этой caelum incognitum. Шаг за шагом отсутствующие части внегалактического неба пополняются.
Литература:
PRINCIPLES OF PHYSICAL COSMOLOGY. P.J.E. Peebles. Princeton University Press, 1993.
UNVEILING LARGE-SCALE STRUCTURES BEHIND THE MILKY WAY. Edited by Chantal Balkowski and R. C. Kraan-Korteweg. Astronomical Society of the Pacific Conference Series, Vol. 67; January 1994.
A DWARF SATELLITE GALAXY IN SAGITTARIUS. R. A. Ibata, G. Gilmore and M. J. Irwin in Nature, Vol. 370, pages 194--196; July 21, 1994.
DYNAMICS OF COSMIC FLOWS. Avishai Dekel in Annual Review of Astronomy and Astrophysics, Vol. 32, pages 371--418; 1994.
A NEARBY MASSIVE CLUSTER BEHIND THE MILKY WAY. R. C. Kraan-Korteweg et al. in Nature, Vol. 379, pages 519--521; February 8, 1996.
Авторы
RENEE C. KRAAN-KORTEWEG и OFER LAHAV объединили свои силы в 1990 г., после встречи на конференции по космологии в Durham, Англия; до этого оба открыли независимо скопление за Млечным Путем в созвездии Корма. Kraan-Korteweg -- профессор отделения астрономии University of Guanajuato в Мексике. Lahav -- сотрудник Institute of Astronomy в University of Cambridge член ученого общества в St. Catharine's College. Kraan-Korteweg исследует зону избегания с помощью прямых наблюдений, в то время как Lahav использует аналитические и вычислительные методы.
(Использованы материалы из журнала "Scientific American".)
Вернуться в раздел "Местное Сверхскопление".