VIVOS VOCO: Ю.Н. Ефремов, "Загадки звездных дуг"

Загадки звездных дуг

Ю.Н. Ефремов

Юрий Николаевич Ефремов, доктор физико-математических наук, профессор,
главный научный сотрудник отдела изучения Галактики и переменных звезд
Государственного астрономического института им.П.К.Штернберга.

Звездообразование и спиральные рукава

Справедливо сказано, что звезды - главные объекты Вселенной, в них заключена львиная доля ее видимой массы, да и вся наша жизнь определяется ближайшей звездой - Солнцем. Звезды собраны в гигантские системы - галактики, одной из которых является наша Галактика - система Млечного пути. Эллиптические галактики состоят из старых звезд, а неправильные и спиральные содержат много газа, в основном водорода, и в их дисках продолжается процесс звездообразования. Он обусловлен в конечном счете сжатием более плотных газовых облаков и превращением их в звезды. Такие облака могут возникать спонтанно, в результате гравитационной нестабильности в газе и его турбулентных движений, однако затем воздействие молодых горячих звезд и взрывов Сверхновых на окружающий газ приводит к появлению новых звездообразующих облаков - индуцированному звездообразованию.

Наибольшие области звездообразования в галактиках - спиральные рукава: они бросаются в глаза именно потому, что в них идут активные процессы звездообразования и высока плотность молодых звезд высокой светимости. Исследования спиральных рукавов критически важны для понимания самих галактик. Как говорил Джеймс Джинс, пока спиральные ветви остаются необъясненными, невозможно чувствовать доверие к любым предположениям, касающимся других особенностей галактик. Исследование звездообразования в рукавах - едва ли не лучший путь к пониманию их природы.

Установив в наших исследованиях существование звездных комплексов - наибольших группировок молодых звезд, - мы пришли к выводу, что короткие хаотические спиральные рукава как раз и есть такие комплексы, растянутые и закрученные дифференциальным вращением галактик. В рукавах такой природы нет старых звезд [1]. У большинства спиральных галактик рукава именно этого типа, однако наиболее известны и красивы галактики с регулярными длинными и симметричными рукавами. Их объясняет волновая теория спиральной структуры, согласно которой такие рукава представляют собой волны повышенной плотности звезд и газа, вращающиеся как твердое тело вокруг центра галактики [2]. Ближе к центру объекты галактики вращаются быстрее, чем волны плотности, и при набегании газовых облаков на уплотненный в спиральных волнах газ на кромке рукава создаются условия для индуцированного звездообразования. Возникающий в результате градиент возрастов поперек рукава был давно уже обнаружен автором в галактике Андромеды.

В рамках гравитационной теории волновых спиральных рукавов в них должны концентрироваться не только газ и молодые звезды, но и сравнительно старые объекты, притягиваемые в рукава их повышенным гравитационным полем. Это действительно обнаруживается при наблюдениях других галактик, но относительно нашей Галактики с 60-х годов считалось, что ее спиральные рукава выделяются лишь по молодым скоплениям. Нам удалось показать, что этот вывод был обусловлен в основном наблюдательной селекцией, - на больших расстояниях труднее обнаружить старые скопления. Оказалось, что они концентрируются по крайней мере в наиболее длинном и хорошо выраженном рукаве Киль-Стрелец. Мы обнаружили также, что в этом рукаве сверхгигантские газовые облака располагаются через правильные промежутки [3]. Такая регулярность - характерное свойство именно гравитационных волновых спиральных рукавов и объясняется рождением в них газовых сверхоблаков (эволюционирующих затем в звездные комплексы) вследствие крупномасштабной гравитационной неустойчивости. Были обнаружены и характерные для таких рукавов отклонения скоростей звезд от кругового вращения относительно центра Галактики. Принадлежность нашей Галактики к классу галактик с волновыми спиральными рукавами, управляемыми гравитацией, а не газодинамическими процессами, можно ныне считать практически доказанной.

Однако вопрос о том, являются ли волновые спиральные рукава областями именно индуцированного звездообразования, еще не решен до конца. Молодые звезды могут образовываться на кромке рукава просто потому, что там наивысшая плотность газа, а в пересчете на единицу его массы темп звездообразования может быть такой же, как и вне рукавов, где новые облака не образуются. Для решения проблемы необходимо исследовать процессы индуцированного звездообразования в чистом виде, - когда они не осложнены гравитационным полем спиральных галактик и их дифференциальным вращением. Это значит, что нужно обратиться к неправильным галактикам, и в первую очередь к ближайшей среди них - Большому Магелланову Облаку (БМО), в котором много газа и молодых звезд и известны области индуцированного звездообразования.

Звездные дуги и газовые сверхоболочки

Изучая обширную область активного звездообразования вокруг газовой сверхоболочки LMC4, мы обратили внимание на удивительные дугообразные структуры - три или четыре гигантские арки радиусом в 150-300 пк, образованные звездами высокой светимости и молодыми скоплениями (рис.1). Одну из таких дуг можно видеть в World Wide Web, на сайте Astronomical picture of the day (APOD), ее изображения помещены там 25 июня 1995 г. и 23 августа 1997 г., а в ультрафиолетовых лучах - 11 октября 1995 г. (рис.2). В подписи к рисунку говорится, что “причина, по которой эта арка имеет наблюдаемую форму, в настоящее время неизвестна”.

Рис. 1. Система дугообразных звездных комплексов на северо-востоке галактики Большое Магелланово Облако (слева). Наиболее молодые скопления, содержащие горячие звезды, окружены облаками ионизованного водорода. Звездные дуги в БМО - части идеальных окружностей (справа). Наиболее заметны центральная арка - Квадрант и справа и ниже ее - Секстант. Реальность наибольшей арки (слева) пока под сомнением, но более старые скопления и должны быть менее заметны, а радиусы звездных дуг увеличиваются с возрастом, поскольку звезды сохраняют движение породившего их газа. Скопление NGC 1978 обведено малой окружностью, а остаток сверхновой N49 - квадратиком.

Рис. 2. Дуга Секстанта в БМО, наблюдаемая в ультрафиолетовых лучах.
Наибольшую яркость в этом диапазоне имеют самые молодые горячие звезды.

Самую четкую из этих арок отметили Б. Вестерлунд и Д. Мэтьюсон еще в 1966 г. Они связали ее происхождение, как и водородной полости LMC4, с взрывом гипотетической сверх-Сверхновой; о возможности таких взрывов писал еще И. Шкловский. На всю же эту систему арок в БМО обратил внимание первым П. Ходж [4], причем и для нее он предположил аналогичное происхождение. С тех пор и до 1998 г. никто более не заинтересовался природой и происхождением таких структур, хотя область LMC4 активно исследовалась.

Мы занялись этой проблемой, ибо было очевидно, что здесь имеется чистейшей воды случай индуцированного звездообразования. О том свидетельствовала правильная круговая форма арок, которую мы объяснили формированием их из газа, вытесненного из центра давлением [5]. Внутри двух наиболее четких дуг - Квадранта и Секстанта (рис. 1 и 2) - вроде бы можно указать небольшие скопления, содержащие в свое время, вероятно, О-звезды и Сверхновые, способные собрать газовые оболочки, из которых затем образовались звезды в обеих дугах.

На более ранней стадии эволюции, до начала звездообразования, такие дуги должны наблюдаться как газовые оболочки, содержащие внутри породившее их звездное скопление. Однако звездных дуг в разных галактиках мы сейчас обнаружили всего с десяток, тогда как газовые оболочки весьма многочисленны - в некоторых галактиках по нескольку десятков. Наибольшие из них, с диаметром более 300 пк, известны под названием сверхоболочек. Для областей меньшего размера, называемых обычно просто оболочками, источник центрального давления - группы молодых звезд внутри, которые наблюдаются довольно часто.

Однако для сверхоболочек вопрос остается открытым. В нашей собственной Галактике К. Хейлес [6] в 1979 г. обнаружил 11 сверхгигантских оболочек без видимых звездных группировок внутри. Рассматривая проблему их происхождения, Хейлес заключил, что “агент, ответственный за их происхождение, может быть новым, неизвестным среди астрономических объектов видом”. Однако большинство теоретиков до последнего времени полагало, что для таких заявлений нет оснований. Проблема считается давно решенной, хотя это не так. По возрасту и размерам сверхоболочки можно предположить, каковы должны быть параметры скопления, которое могло бы ее породить, и тем самым проверить “стандартную модель” происхождения сверхоболочек. Недавно К. Родэ с коллегами провели тщательные поиски скоплений внутри сверхоболочек HI в неправильной галактике HoII. Только внутри шести из 44 сверхоболочек они нашли скопления, характеристики которых совместимы с предположением, что они могли их породить.

Добавим к этому вопрос, который я задавал ряду теоретиков: если сверхоболочки образуются воздействием многих Сверхновых и горячих О-звезд на межзвездную среду, почему же вокруг множества скоплений, в которых эти объекты без сомнения были, никаких сверхоболочек не наблюдается? Удовлетворительного ответа я не получил. Предложено много объяснений происхождения сверхоболочек, но никто не объясняет их отсутствия!

Стандартная модель не срабатывает, причем во многих случаях. Была предложена и другая идея - падение на диск галактик больших газовых облаков, столкновение которых с газом в галактической плоскости дает достаточную энергию для возникновения сверхоболочек. Однако близ ряда галактик с гигантскими сверхоболочками таких облаков нет. Высокоскоростные облака водорода вокруг нашей Галактики оказались гигантскими (в среднем - 25 кпк в поперечнике) и далекими объектами.

Оставались загадочными и звездные арки в БМО. В самом деле, почему они образовались вокруг бедных звездных группировок и отсутствуют вокруг множества более богатых скоплений подходящего возраста? Почему все дуги, известные в БМО, сгруппировались в пределах 1 кпк друг от друга? Непонятно также, почему Квадрант расположен внутри сверхоболочки, а не вдоль ее края, и почему внутри арки Секстанта сохранился газ (рис. 3 и 4). Возможное объяснение пришло с совершенно неожиданной стороны.

Рис. 3. Нейтральный водород (темные участки) и звездные скопления (квадратики) в области сверхоболочки LMC4 (обширная свободная от газа эллиптическая область в середине), внутри которой находится дуга Квадранта, а на правой нижней ее границе - Секстанта; скопления в этих дугах обведены кружками. Скопление NGC 1978 и остаток Сверхновой N49 показаны квадратиками (справа вверху). Обратите внимание на отсутствие скоплений в центрах газовых оболочек и наличие газа внутри Секстанта.

Рис. 4. Арка звездных скоплений вокруг газо-пылевой сверхоболочки в галактике M83. Эта картина соответствует классической модели индуцированного звездообразования в оболочках, однако в центре сверхоболочки не видно предположительно породившего ее скопления.

Тайна гамма-всплесков

В течение шести лет кратковременные вспышки гамма-излучения составляли глубокий секрет Национальной обсерватории Лос-Аламос (США), сотрудники которой регистрировали их с помощью системы четырех спутников “Вела” (от испанского velar - быть на страже), предназначенной для регистрации ядерных взрывов. Их задачей было следить, не нарушается ли соглашение о запрещении этих взрывов в воздухе и космосе. Довольно скоро было установлено, что вспышки приходят из космоса, и, наконец, в 1973 г. побывавший с визитом в Лос-Аламосе известный физик Ф. Дайсон сказал своим коллегам, что даже Советам не под силу почти каждый день выводить в космос ракеты с водородными бомбами - надо, мол, сообщение об этом опубликовать.

Объяснить наблюдения было нелегко. Кратковременность вспышек (от долей до сотен секунд) указывала, что источниками гамма-лучей служат очень компактные объекты, такие, например, как нейтронные звезды. Отсутствие какой-либо локализации, скажем, вблизи плоскости или центра Галактики (или около близких галактик) оставляло только две возможности - либо источники очень близко от нас, не дальше ближайших звезд, либо же очень далеко. В последнем случае гамма-вспышки - очень редкие явления в далеких галактиках. Главная трудность состояла в том, что в отличие от квазаров или пульсаров, на разгадку которых ушли считанные месяцы, гамма-вспышки ни в каком другом диапазоне спектра себя не проявляли.

Почти все гипотезы стали достоянием истории весной 1997 г. В конце февраля итало-голландский спутник “Beppo SAX” зарегистрировал гамма-вспышку GRB 970228 (Gamma-ray burst 28 февраля 1997), на месте которой был выявлен угасающий рентгеновский источник. Это позволило определить точные координаты, по которым на месте гамма-вспышки была найдена слабая галактика. Затем было выявлено оптическое послесвечение за всплеском GRB 970508 и на его месте обнаружена также слабая галактика, для которой удалось измерить красное смещение линий в спектре: z = 0.835. Такая величина соответствует гигантскому, космологическому, как часто говорят, расстоянию.

Сейчас послесвечение наблюдалось уже у двух десятков гамма-всплесков, и мало кто сомневается в том, что они приходят с весьма далеких расстояний, в пределах которых достаточно много галактик. Если это так, то энергии вспышек чудовищны - до 10⁵³-10⁵⁴ эрг, т.е. как у сотен и тысяч сверхновых звезд, вспыхнувших одновременно [7].

И вот осенью 1997 г. возникло подозрение, что остатки этих вспышек астрономы наблюдают давно и в большом количестве. Сверхмощные взрывы должны образовывать огромные полости в межзвездной среде. С.Блинников и К.Постнов [8] первыми упомянули об этом в статье, посвященной природе гамма-всплесков. Признаюсь, и автора этой статьи тогда посетила такая мысль, но когда я пришел к Постнову посоветоваться об этом, их статья была уже в печати. Затем совместно с американскими астрономами мы изучили этот вопрос детально [9] и пришли к выводу, что при существующих оценках частоты вспышек гамма-излучения (одна вспышка в десять тысяч - миллион лет) и времени жизни сверхоболочки (десятки миллионов лет) в каждой галактике, подобной нашей, может наблюдаться от 10 до 100 образованных таким путем сверхоболочек, и эта оценка соответствует наблюдениям.

Гамма-вспышки и звездные дуги

Итак, старая идея о сверхмощных взрывах получила наблюдательные подкрепления. Она объясняет отсутствие центральных скоплений в ряде сверхоболочек и применима также к аркам в БМО. Остается однако необходимость объяснить, почему все три или четыре такие вспышки, имевшие место в БМО за последние примерно 30 млн лет (судя по возрасту скоплений в дугах), происходили так близко друг к другу. Это, конечно, означает наличие здесь какого-то общего источника, в котором могли бы возникнуть предки гамма-вспышек. Согласно большинству гипотез, ими служат тесные двойные системы, включающие нейтронные звезды или черные дыры. Возникновение таких систем при сближениях звезд в плотном скоплении и возможность их ухода из скопления рассматривались при изучении рентгеновских двойных звезд (которые как раз и являются тесными системами, включающими нейтронную звезду, аккреция вещества на которую и вызывает рентгеновское излучение). Некоторые из этих двойных могут быть предками гамма-всплесков или хотя бы их близкими родственниками. Излучение гравитационных волн при орбитальном движении ведет к сближению и затем слиянию компонентов таких тесных двойных, что и порождает явление гамма-вспышки. Для этого нужно в среднем около 100 млн лет с момента образования двойной системы, и за истекшее время она может уйти далеко от скопления, даже если покинула его с небольшой скоростью, вследствие обычного механизма “испарения” звезд из скопления. В процессе вспышки Сверхновой образуется нейтронная звезда, скорость которой может достигать сотен километров в секунду.

Итак, неподалеку от звездных дуг может быть богатое и плотное скопление. И такое скопление, к тому же весьма необычное, действительно есть - это массивное скопление эллиптической формы NGC 1978, возраст которого около 2 млрд лет (рис.1, 5). Рядом с ним, всего в 18', находится еще один весьма необычный объект, который может заведомо считаться родственником гамма-всплесков! Это SGR 0526-66 - единственный в БМО источник повторяющегося излучения мягких гамма лучей (Soft Gamma Repeater). Он был обнаружен 5 марта 1979 года . и после долгих споров признан членом БМО.

Рис. 5. Звездное скопление NGC 1978 (слева внизу) и остаток Сверхновой N49,
содержащий объект SGR 0526-66 (справа вверху).

Эти соображения пришли мне в голову в июне 1998 г., когда я обдумывал доклад на симпозиуме по Магеллановым Облакам, который состоялся в июле в Канаде. На симпозиуме прозвучало сообщение Ф. Хаберла о распределении обнаруженных им рентгеновских двойных в БМО. На его “прозрачке” была видна концентрация этих звезд в северо-восточной части галактики. На мой вопрос, не область ли это LMC4, выступавший докладчик ответил утвердительно. Его, правда, поправили, что, мол, к северу от этой сверхоболочки. Но NGC 1978 находится как раз к северо-западу от LMC4! Я сказал, что так и должно быть, и через день объяснил в своем докладе, почему. Если звездные дуги связаны с гамма-вспышками, предки которых вылетели из NGC 1978, вблизи этого скопления естественно ожидать и повышенной концентрации родственных им объектов, вроде SGR и рентгеновских двойных.

Эллиптическая форма NGC 1978 свидетельствует о необычном динамическом состоянии скопления, которое могло быть результатом слияния двух скоплений, либо - динамического “удара” скопления о плоскость БМО. Оба явления могли привести к уходу из скопления многих звезд, в том числе и двойных [10]. Однако наиболее вероятным нам сейчас представляется механизм выброса звезд из плотного ядра скопления вследствие их близких прохождений, ведущих к образованию тесных двойных систем. Среди последних должны быть и системы из компактных объектов, последующее слияние которых порождает явление всплеска гамма-излучения [11].

Весьма массивное скопление было недавно найдено и близ второй известной системы кратных арок, в спиральной галактике NGC 6946 (рис. 6). Эту вторую систему также обнаружил Ходж при поисках объектов, подобных кратным аркам в БМО. Не зная о его работе, С. Ларсен и Т. Рихтлер [12] заново открыли эту систему в 1999 г., описав ее как сферическое скопление звездных скоплений. Внутри него они нашли молодое шаровое скопление, самое яркое из всех молодых скоплений в изученных ими 21 галактике. Масса его может составлять миллион масс Солнца.

Рис.6. Спиральная галактика NGC 6946 и сферический комплекс молодых звездных скоплений в ней. Снимок получил С. Ларсен на 2.5-метровом Нордическом телескопе на о. Ла Пальма.

В совместной работе [13] мы предприняли попытку изучить эту уникальную систему; правда, много загадок еще остается. Ее правильная круговая форма и наличие внутри нескольких дуг скоплений с примерно равными возрастами говорит об индуцированном звездообразовании. Однако возраст шарового скопления, по предварительным данным, такой же как у других скоплений в этой системе. Если это окажется так, то придется признать, что оно не могло стимулировать образование арок из скоплений. К тому же центры двух или трех арок скоплений находятся слишком далеко от него (рис. 7).

Рис. 7. Деталь предыдущего изображения - комплекс молодых скоплений в NGC 6946 (полоса I). Видны несколько арок скоплений и гигантское шаровое скопление (слева от центра). Яркий объект справа внизу считается звездой переднего фона нашей Галактики, но может оказаться и компактным скоплением в NGC 6946. Размер изображения 29’’х33’’.

Как и в случае арок в БМО, можно предположить, что прародители этих арок ушли из него и дали сверхмощные взрывы. Но как быть с возрастами? Может быть неподалеку будет найдено более подходящее скопление? Для наблюдения этого уникального скопления скоплений нам предоставлено время для работы с Космическим телескопом им.Хаббла. По заявке нашего коллектива 16 июля 2000 г. инструмент будет наведен на это скопление скоплений и многие вопросы будут решены.

Напомним, что наиболее ценным результатом Египетской экспедиции генерала Бонапарта стала находка Розеттского камня, надпись на котором была выбита как иероглифами, так и греческими буквами. Это позволило затем Шампольону расшифровать иероглифическую письменность. Звездные арки связаны с газовыми оболочками, и именно звездные скопления дают данные о возрастах и массах, которые нужны для уточнения теории индуцированного звездообразования, а это необходимо для понимания природы спиральных рукавов. Неумолимая логика научного исследования неизбежно уводит от первоначально поставленной задачи, и для успеха часто возникает необходимость решить и новую, возникшую на пути к цели, проблему... И эта загадка звездных дуг определенно связана с проблемой гамма-вспышек, наиболее актуальной в современной астрофизике.

Работа проводилась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Проект 97-02-17358.

Литература

1 Ефремов Ю.Н. Очаги звездообразования в галактиках. М., 1989.

2 Ефремов Ю.Н., Засов А.В., Чернин А.Д. Звездные комплексы и спиральные рукава // Природа. 1998. №3. С.8-16.

3 Efremov Yu.N. // Astron. Astroph. Trans. 1998. V.15. P.3.

4 Hodge P.W. // PASP. 1967. V.79. P.29-32.

5 Efremov Yu.N., Elmegreen B.G. // MNRAS. 1998. V.299. P.643-652.

6 Heiles C. // Astrophys. Journ. 1979. V.229. P.533.

7 Постнов К.А. // Успехи физ. наук. 1999. Т.169. С.546.

8 Блинников С.И., Постнов К.А. // MNRAS. 1998. V.293. P.L29.

9 Efremov Yu.N., Elmegreen B.G., Hodge P.W. // Astrophys. Journ. Lett. 1998. V.501. P.163-165.

10 Ефремов Ю.Н. // Письма в “Астрон. журн.”. 1999. Т.25. С.100-107.

11 Он же // Там же. 2000. Т.26. С.649-656.

12 Larsen S.S., Richtler T. // Astron. Astroph. 1999. V.345. P.59-72.

13 Elmegreen B., Efremov Yu.N., Larsen S. // Astrophys. Journ. 2000. V.535. P.748-758.