Астрономы обнаружили две необычные космические структуры, состоящие преимущественно из нейтрального водорода и не имеющие обнаруживаемых звезд. Объекты находятся в окрестностях знаменитой галактики Водоворот — M51 — и были выявлены с помощью крупнейшего в мире радиотелескопа FAST.
Каждое из загадочных облаков содержит примерно три миллиона солнечных масс водорода. Однако в оптических наблюдениях им не соответствует заметное звездное население. Именно это делает находку особенно интересной: обычно газ в гравитационных структурах со временем может становиться материалом для образования звезд, но в данном случае этот процесс, по всей видимости, либо не произошел, либо был подавлен.
Исследователи рассматривают два возможных объяснения происхождения этих объектов. Они могут оказаться редкими представителями особого класса небольших гало темной материи, которым удалось сохранить газ, но так и не сформировать заметную звездную систему. Другая возможность заключается в том, что облака являются остатками взаимодействия галактик в системе M51. Окончательный ответ потребует новых наблюдений с более высоким разрешением.
Космические объекты, которые почти невозможно увидеть
Большая часть того, что человек привык называть объектами во Вселенной, обнаруживается благодаря свету. Звезды излучают электромагнитное излучение, галактики состоят из огромного количества звезд, а горячий газ может быть заметен в различных диапазонах спектра.
Но далеко не все космические структуры легко увидеть в оптический телескоп.
Водород — самый распространенный химический элемент во Вселенной — способен существовать в виде холодного или относительно холодного нейтрального атомарного газа. Такой водород практически не выглядит как яркий объект на обычных фотографиях космоса. Однако он может быть обнаружен по характерному радиоизлучению.
Именно поэтому радиотелескопы позволяют исследовать области Вселенной, которые остаются почти полностью невидимыми для обычных оптических инструментов.
В новом исследовании астрономы обнаружили две структуры, получившие обозначения Cloud N и Cloud S — северное и южное облака. В обоих случаях наблюдения показали наличие значительного количества нейтрального водорода, но не выявили соответствующих оптических объектов, состоящих из звезд.
Такие системы иногда называют своеобразными «звездными призраками»: они обладают веществом и, возможно, находятся внутри гравитационных гало, но практически не светятся в видимом диапазоне.
Почему водород можно обнаружить по радиоволнам
Для поиска этих облаков ученые использовали характерный радиосигнал нейтрального атомарного водорода — так называемую линию длиной волны 21 сантиметр.
Этот сигнал играет исключительно важную роль в современной радиоастрономии. Благодаря ему исследователи могут составлять карты распределения нейтрального водорода в галактиках и вокруг них.
Нейтральный водород как карта невидимого вещества
Атомарный водород состоит из протона и электрона. В определенных условиях атом может испускать очень слабое радиоизлучение с длиной волны около 21 сантиметра.
Для отдельного атома этот процесс чрезвычайно редок. Однако космические облака содержат колоссальное количество атомов водорода. В совокупности их излучение становится достаточно заметным для мощных радиотелескопов.
Именно так астрономы могут обнаруживать газовые структуры даже там, где нет ярких звезд.
Радионаблюдения позволяют не только определить наличие водорода. Анализ сигнала дает информацию о движении газа и его распределении в пространстве. Благодаря этому можно исследовать структуру облака и сравнивать его свойства с теоретическими моделями.
Почему для такой работы понадобился FAST
Для обнаружения чрезвычайно слабых радиосигналов необходим очень чувствительный инструмент. Китайский радиотелескоп FAST имеет сферическую отражающую поверхность диаметром 500 метров и относится к крупнейшим радиотелескопам мира.
Наблюдения проводились в рамках программы FEASTS, предназначенной для изучения распределения нейтрального водорода.
Исследователи проанализировали данные, связанные с 55 галактиками, и искали компактные газовые структуры, свойства которых соответствовали определенным критериям. Среди всей изученной выборки только два объекта — Cloud N и Cloud S — прошли отбор.
Два облака с миллионами солнечных масс газа
Масса нейтрального водорода в каждом из двух обнаруженных облаков составляет примерно три миллиона масс Солнца.
Это огромный объем вещества по человеческим меркам, однако для космической структуры он еще не означает, что объект обязательно должен стать заметной галактикой.
Чтобы газ начал активно формировать звезды, должны выполняться определенные физические условия. Вещество должно иметь возможность собираться под действием гравитации, становиться достаточно плотным и охлаждаться.
Если эти процессы оказываются недостаточно эффективными, облако может сохранять газ, но не превращать его в звездную систему.
Возможная роль темной материи
Согласно современной космологической модели, во Вселенной существует огромное количество гало темной материи различных размеров.
Темная материя не излучает и не отражает свет обычным образом, поэтому ее нельзя увидеть непосредственно. О ее существовании и распределении судят по гравитационному воздействию на видимое вещество и движение космических объектов.
Согласно распространенной модели формирования структуры Вселенной, сначала возникали относительно небольшие гравитационные структуры, которые затем объединялись и участвовали в формировании более крупных систем.
Однако наличие гало темной материи еще не означает, что внутри него обязательно появится яркая галактика.
Особенно это относится к объектам небольшой массы. Их гравитации может оказаться недостаточно для того, чтобы эффективно удерживать и сжимать газ.
Почему некоторые гало могут остаться без звезд
Образование звезд требует сложного сочетания условий. Недостаточно просто иметь большое количество вещества.
Газ должен собраться в достаточно плотные области. Затем эти области должны продолжать сжиматься под действием собственной гравитации. Если газ остается слишком горячим или разреженным, процесс формирования звезд может не начаться.
Для небольших гравитационных структур эта проблема особенно важна.
Слабая гравитация не всегда удерживает газ
В массивной галактике гравитационное поле способно удерживать огромные количества газа. В небольшом гало ситуация может быть совершенно другой.
Если гравитационное притяжение недостаточно сильное, газ может нагреваться и расширяться. В таком состоянии ему значительно сложнее образовывать плотные области, из которых впоследствии возникают звезды.
Поэтому теоретически во Вселенной должны существовать гравитационные структуры, содержащие темную материю и некоторое количество газа, но практически лишенные звезд.
Влияние излучения во Вселенной
На состояние газа влияет не только собственная гравитация объекта.
Межгалактическое пространство заполнено фоновым излучением, источниками которого являются различные космические объекты, включая звезды и квазары. Ультрафиолетовое излучение способно нагревать газ и изменять его состояние.
Для небольших гало это может иметь особенно серьезные последствия.
Если газ нагревается и не может достаточно эффективно охлаждаться, его плотность остается слишком низкой для активного звездообразования.
Таким образом, объект может сохранить часть водорода, но не превратиться в обычную галактику.
След космической реионизации
Одна из рассматриваемых моделей связана с ранней историей Вселенной и процессом космической реионизации.
После появления первых звезд и других мощных источников излучения окружающее пространство постепенно изменяло свое состояние. Ультрафиолетовое излучение влияло на межгалактический газ и особенно сильно могло воздействовать на небольшие гравитационные структуры.
В некоторых маломассивных гало газ мог сохраниться лишь частично.
При этом оставшееся вещество могло никогда не достичь условий, необходимых для формирования заметного звездного населения.
Для обозначения таких объектов используется термин RELHIC — reionization-limited H I cloud, то есть облако нейтрального водорода, свойства которого ограничены последствиями космической реионизации.
Идея состоит в том, что небольшое гало темной материи сохранило некоторое количество газа после ранних изменений состояния Вселенной, но этот газ оказался слишком нагретым или недостаточно плотным для полноценного образования звезд.
Что должно отличать настоящий RELHIC
Не каждое водородное облако без звезд автоматически относится к этому классу.
В космосе существует множество способов создать газовую структуру. Газ может быть выброшен из галактики, вырван гравитационным взаимодействием или оказаться частью более сложной межгалактической среды.
Поэтому исследователи используют несколько признаков для поиска возможных RELHIC.
Предполагаемый объект должен быть относительно компактным и иметь приблизительно сферическую форму. Его радиоспектральные линии должны обладать определенными характеристиками, связанными с движением газа. Для кандидатов рассматривается характерная скорость порядка 20 километров в секунду.
Кроме того, особенно важным условием является отсутствие обнаруживаемого звездного компонента в оптических наблюдениях.
Cloud N и Cloud S показали свойства, которые соответствуют этим критериям.
Почему находка может быть связана с темной материей
Исследователи оценивают, что каждое из обнаруженных облаков может находиться в гало общей массой около 3,7 миллиарда солнечных масс.
При этом непосредственно наблюдаемая масса нейтрального водорода составляет около трех миллионов солнечных масс.
Соотношение между количеством газа и предполагаемой общей массой структуры оказалось близким к тому, что ожидается для подобных объектов в теоретических моделях.
Это делает гипотезу о существовании звездных гало без заметного звездного населения достаточно интересной.
Однако важно, что пока речь идет именно о кандидатах, а не об окончательно подтвержденных объектах нового класса.
Для такого вывода необходимо исключить другие возможные объяснения.
Загадочные облака находятся рядом с галактикой Водоворот
Особенно интересным обстоятельством является расположение Cloud N и Cloud S.
Оба объекта находятся примерно в 70–90 килопарсеках от центра галактики M51. Это соответствует расстоянию приблизительно от 228 тысяч до 293 тысяч световых лет.
M51, также известная как галактика Водоворот, является одной из наиболее известных спиральных галактик на небе.
Она представляет особый интерес для астрономов не только благодаря своей красивой структуре. M51 взаимодействует с другой галактикой, и это взаимодействие существенно влияет на распределение вещества вокруг системы.
Именно поэтому происхождение обнаруженных водородных облаков нельзя считать установленным.
Главная альтернативная версия: последствия взаимодействия галактик
Галактики не являются полностью изолированными островами звезд.
При близком прохождении двух галактик их гравитационные поля способны значительно изменять распределение газа и звезд. Взаимодействия могут создавать длинные приливные структуры, перемещать вещество на огромные расстояния и формировать сложные газовые облака.
Поэтому возле взаимодействующей системы вполне могут существовать структуры, не являющиеся самостоятельными гало темной материи.
Что такое приливный мусор
Во время гравитационного взаимодействия галактик часть вещества может быть вытянута за пределы первоначальных галактических дисков.
Газ и звезды способны образовывать протяженные структуры, существующие на огромных расстояниях от центра галактики.
Такие остатки взаимодействия называют приливными структурами или приливным веществом.
Если Cloud N и Cloud S возникли именно таким образом, их отсутствие в оптических наблюдениях не обязательно означает существование темного гало без звезд.
Они могут представлять собой преимущественно газовые остатки прошлых или продолжающихся взаимодействий в системе M51.
Почему это объяснение пока нельзя исключить
Галактика Водоворот хорошо известна как взаимодействующая система.
Поэтому происхождение необычных облаков необходимо рассматривать в контексте окружающей галактической среды.
Исследователи прямо указывают, что существующие данные пока не позволяют полностью исключить приливное происхождение Cloud N и Cloud S.
Это важное ограничение исследования. Необычные свойства объектов делают их перспективными кандидатами на редкий класс водородных структур, но окончательный вывод потребует дополнительных измерений.
Что смогут показать новые наблюдения
Для выяснения природы загадочных облаков необходимы радионаблюдения с более высоким разрешением.
Более детальная карта распределения нейтрального водорода позволит лучше понять форму объектов и особенности движения газа внутри них.
Это может помочь определить, являются ли Cloud N и Cloud S компактными самостоятельными структурами или частью более протяженного вещества, связанного с взаимодействием галактик.
Если газ окажется встроенным в длинные приливные структуры, версия о галактическом происхождении станет более вероятной.
Если же наблюдения подтвердят существование компактных и изолированных облаков со свойствами, соответствующими предсказаниям для небольших гало темной материи, это станет серьезным аргументом в пользу гипотезы RELHIC.
Почему такие объекты особенно важны для космологии
Современные модели предполагают существование большого количества небольших гало темной материи.
Однако далеко не все из них должны содержать яркие галактики.
Это создает серьезную наблюдательную проблему. Если структура не имеет звезд, ее невозможно просто увидеть как обычную галактику.
Поиск нейтрального водорода становится одним из возможных способов обнаружить часть таких систем.
Поиск невидимых гало
Если теория верна, во Вселенной может существовать значительная популяция небольших гало, которые практически невозможно обнаружить традиционными методами.
Некоторые из них могли полностью потерять газ. Другие могли сохранить небольшое количество вещества, но не сформировать заметных звезд.
Обнаружение подобных объектов позволило бы проверить представления о том, как темная материя участвует в формировании космических структур.
Особенно важны системы, находящиеся на границе между обычными галактиками и полностью невидимыми гравитационными объектами.
Они могут содержать информацию о том, какие условия необходимы для того, чтобы гало превратилось в настоящую галактику.
Не каждая масса газа становится галактикой
Открытие двух необычных облаков наглядно показывает важную особенность эволюции Вселенной.
Наличие водорода еще не гарантирует образование звезд.
Между существованием газового облака и появлением галактики с миллиардами звезд лежит сложная цепочка физических процессов.
Газ должен сохраняться внутри гравитационной структуры, охлаждаться, становиться плотнее и образовывать области, способные к дальнейшему сжатию.
Любое нарушение этой последовательности может изменить дальнейшую судьбу объекта.
Возможно, Cloud N и Cloud S представляют собой системы, которые остановились на одном из ранних этапов этого процесса.
Но существует и другая возможность: перед нами остатки значительно более масштабных процессов, происходящих при взаимодействии галактик.
Именно необходимость различить эти варианты делает новые объекты столь интересными для дальнейших исследований.
Радиотелескопы продолжают открывать невидимую Вселенную
Человеческий глаз воспринимает лишь небольшую часть электромагнитного спектра.
Оптические телескопы показывают Вселенную, наполненную звездами, туманностями и галактиками. Но за пределами видимого диапазона скрывается огромное количество информации.
Радиоастрономия позволяет исследовать холодный газ, который практически невозможно увидеть обычными средствами.
Наблюдения нейтрального водорода уже стали одним из основных инструментов изучения структуры галактик. Теперь чувствительность современных радиотелескопов позволяет находить и значительно более слабые, необычные структуры.
По мере развития крупных радиообсерваторий астрономы получают возможность составлять все более подробные карты распределения газа вокруг галактик.
Это может привести к обнаружению новых объектов, которые раньше оставались полностью незамеченными.
Две загадочные структуры пока не раскрыли свою природу
Cloud N и Cloud S содержат миллионы солнечных масс нейтрального водорода, но не имеют обнаруживаемого звездного населения. Их свойства делают объекты интересными кандидатами на редкий класс газовых структур, связанных с небольшими гало темной материи.
Одновременно их расположение возле взаимодействующей галактической системы M51 не позволяет исключить другое объяснение — происхождение из вещества, перемещенного гравитационным взаимодействием галактик.
Именно дальнейшие наблюдения должны определить, что представляют собой эти два объекта.
Если подтвердится версия о RELHIC, астрономы получат редкие примеры небольших гало, содержащих газ, но практически не сформировавших звезд. Если же облака окажутся приливными остатками, они все равно будут важны для понимания того, как взаимодействующие галактики перераспределяют огромные массы вещества.
В любом случае находка демонстрирует, насколько неполной остается привычная картина видимой Вселенной. Пространство вокруг известных галактик может содержать массивные структуры, практически лишенные звезд и потому остающиеся невидимыми для обычных телескопов. Радиоастрономия постепенно делает эту скрытую часть космоса доступной для исследования.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
