галактические ветры

В кузнице на окраине деревни кузнец раздувает горн, и искры летят в темноту. Так и в галактике AEON-z5 активное ядро, как раскалённый горн, выбрасывает вещество, обогащённое металлами, далеко за пределы звёздного диска. Телескоп Джеймса Уэбба зафиксировал этот процесс спустя всего миллиард лет после Большого взрыва, когда Вселенная была ещё совсем юной.

Гавань живёт по расписанию приливов. Вода то поднимается, то уходит, и вместе с ней меняется всё: уровень у причала, состав осадка на дне, даже солёность в дальних углах. Галактика устроена похоже, только вместо воды у неё газ, а вместо Луны — собственные звёзды и соседние облака.

В центре ультракомпактной карликовой галактики (очень плотной звёздной системы размером в десятки световых лет) работает пылесос. Только вместо пыли он всасывает газ, который сбрасывают умирающие звёзды. Этот газ не разлетается в стороны, а закручивается в воронку — вращающийся диск, который постепенно оседает на чёрную дыру.

Чёрная дыра массой 35 000 солнечных движется сквозь газ галактики, подобно барже, рассекающей туман. Её гравитация — искривление пространства-времени — сгребает вещество перед собой, а позади формирует плотный след, кильватерную струю из газа. Часть этого газа дыра аккрецирует — затягивает в себя, увеличивая свою массу.

Пульсар PSR J1740+1000 — это нейтронная звезда размером с город, вращающаяся быстрее кухонного блендера. После взрыва сверхновой от неё осталось сверхплотное ядро, разгоняющее заряженные частицы до скоростей, близких к световой.

Водоворот заглатывает воду, но большую её часть разбрызгивает вокруг. Примерно так ведёт себя чёрная дыра — область пространства-времени с гравитацией столь мощной, что даже свет не может её покинуть, — когда на неё падает слишком много вещества.

Шаровое скопление — плотный рой из сотен тысяч звёзд, гравитационно связанных в компактную сферу, — прошивает галактику, словно пуля воду. В обычной тёмной материи — невидимой массе, удерживающей галактики от разлёта, — оно должно быстро терять скорость из-за приливного трения.

Яркий фонарь в густом тумане кажется тусклым, а слабый огонёк в прозрачном воздухе виден за километр. Эта аналогия помогает понять парадокс, почти полвека ставивший в тупик астрофизиков.

Диск из газа и пыли вращается вокруг молодой звезды HV Tau C почти ребром к нам. Телескоп Джеймса Уэбба заглянул в его спектр и заметил свечение горячего молекулярного водорода (H₂) — частиц, состоящих из двух атомов водорода. Оно выдало широкий двусторонний ветер, который бьёт из внутренних областей далеко за пределы диска.

Газовый диск весом в четыреста тысяч солнц опоясывает сверхмассивную чёрную дыру в центре Млечного Пути. Его притяжение работает как гравитационный руль: медленно, но неотвратимо разворачивает орбиты двойных звёзд, загоняя их в область, где приливные силы разрывают пару на части.

295 000 метров в секунду. С такой скоростью не мчатся даже частицы в корональных выбросах Солнца. Но в центре скопления галактик H1821+643 горячий газ движется именно так. Квазар в его сердце делает выдох — и его дыхание взбаламучивает всё вокруг на расстоянии в 60 тысяч световых лет.

В 1433 парах галактик, разбросанных по небу, астрономы заметили необычный узор. Соседи, оказавшиеся «над» или «под» массивной звёздной системой, содержат до четверти больше кислорода, чем те, что лежат в плоскости её диска.

Самый быстрый ветер во Вселенной несётся со скоростью 0,58 скорости света. Расстояние от Земли до Луны он покрывает за две секунды. Этот ветер — не струя из джета, а широкий поток газа, вырывающийся из центра галактики. Не все чёрные дыры работают одинаково: одни порождают такие ураганы, а другие — узкие плазменные лучи. Ответ напоминает зацепление шестерёнок.

Ветка падает в водоворот. Её крутит и ломает, но иногда из центра вырывается мощный фонтан воды. Примерно так же чёрная дыра разрывает пролетающую мимо звезду, и порой после этого в космос бьёт ослепительная струя плазмы — джет.

Край горизонта событий никогда не бывает спокойным. Квантовый вакуум здесь кипит, и из этой пены порой вырываются частицы — так Стивен Хокинг в 1974 году открыл излучение чёрных дыр, навсегда связав гравитацию с квантовой теорией.

Примерно через 5 миллиардов лет Солнце, исчерпав запасы водородного топлива в ядре, начнёт расширяться, превращаясь в красного гиганта. По мере того как звезда будет сбрасывать внешние слои, её гравитационное поле ослабнет, подобно тому как теряющий воздух воздушный шар всё слабее удерживает привязанную к нему песчинку.

В центре почти каждой большой галактики живёт сверхмассивная чёрная дыра — молчаливый гигант, вокруг которого кружат звёзды, газ и другие, менее крупные чёрные дыры. Время от времени один из этих объектов срывается со своей орбиты и начинает падать на центрального монстра по сужающейся спирали.

Огромный город каждую ночь зажигает новые фонари. Но однажды налетает ураган, срывает со складов всё топливо, и фонари гаснут один за другим. Нечто похожее астрономы разглядели в галактике, свет от которой шёл к нам 12,5 миллиардов лет. Это массивная система, где звёзды рождались с бешеной скоростью — и тут же запускали механизм собственного уничтожения. В центре сюжета — галактический ветер.

Кузнечные меха раздувают огонь, резко выталкивая воздух. В космосе роль таких мехов играет ударная волна от сверхновой — взрыва массивной звезды, термин для которого ввёл Фриц Цвикки.

В оркестре каждый музыкант играет свою партию, но в определённый момент все инструменты замирают на одной ноте. Примерно так ведут себя космические лучи — частицы, летящие к нам от далёких звёзд.

Поток раскалённого газа мчится от звезды — и вдруг глохнет, словно налетев на невидимую стену. Именно это увидели исследователи, когда попробовали воспроизвести звёздный выброс в лабораторном масштабе. Они взяли лазер, создали струю плазмы и пустили её через магнитное поле — сначала слабое, а потом сильное, как у многих звёзд.

В холодных облаках межзвёздного газа тянутся длинные плотные нити. В них, как в переполненных инкубаторах, зреют будущие звёзды. Долгое время считалось, что внутри таких нитей всё подчинено гравитации: вещество плавно стекается к центрам, где плотность растёт и в конце концов вспыхивает звезда. Но новые наблюдения показывают иную картину.

Межзвёздное пространство не пустое: оно заполнено разреженным газом, который местами тёплый, местами холодный. Границы между такими областями напоминают стенки между мыльными пузырями. Когда сверхэнергичная частица — космический луч — налетает на такую стенку, магнитное поле там резко меняется, и частица отскакивает, как мячик от бортика.

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) всё чаще обращает свой взор на экзопланеты — миры, вращающиеся вокруг далёких звёзд. Среди них встречаются раскалённые каменные шары, всегда обращённые к своему светилу одной стороной. На дневной стороне температура столь высока, что горные породы плавятся, образуя океаны жидкой лавы.

В холодных газовых облаках, где рождаются звёзды-гиганты, всё кипит от движения. Газ сжимается, закручивается, дробится на сгустки — будущие звёзды. Долгое время считалось, что порядок здесь наводит магнитное поле: оно, как невидимые нити, вытягивает сгустки поперёк себя. Но новые наблюдения показали обратное. Астрономы навели радиотелескоп ALMA на 30 областей, где формируются массивные звёзды.

Тесто поднимается быстрее, если в нём уже есть дрожжи. Похоже, галактики могли собираться быстрее, если в них заранее были чёрные дыры. Астрофизики рассмотрели случай, когда во Вселенной с самого начала существовали первичные чёрные дыры — объекты, которые могли образоваться в первые мгновения после Большого взрыва.

Галактика влетает в густое скопление, как бегун в толпу. Встречный поток газа — его называют внутрископленческой средой — срывает с неё собственный газ, вытягивая длинный светящийся хвост. Такие галактики астрономы прозвали медузами: у них есть тело и развевающиеся щупальца из оторванного вещества. Но лишь у немногих в этих щупальцах вспыхивают новые звёзды.

Молодая звезда, ещё не зажёгшая термоядерную печь, окружена вращающимся диском из газа и пыли. Чтобы набрать массу, ей нужно избавляться от лишнего вращения — иначе вещество не упадёт на звезду, а останется кружиться по орбите. Обычно этот избыток уносится двумя узкими струями газа, которые бьют с полюсов звезды в противоположные стороны, как два фонтана.

Планета-гигант кружит слишком близко к звезде. Каждый оборот она тянет звезду своей гравитацией, и в глубине звезды рождаются волны — как круги от камня, брошенного в воду. Эти волны гасят орбиту планеты, и она по спирали падает в звезду. Звезда проглатывает планету и начинает вращаться быстрее. Вращение звезды — ключ к разгадке.

Молодая звезда RY Tau похожа на капризный волчок. Вокруг нее крутится плоский диск из газа и пыли — остатки того облака, из которого звезда родилась. Часть вещества из диска звезда притягивает к себе, как пылесос, а часть выбрасывает обратно узким конусом ветра, как фонтан. Астрономы 11 лет, с 2013 по 2024 год, каждую ясную ночь записывали спектр звезды и ее яркость.

В холодных облаках газа и пыли, где когда-нибудь зажгутся звёзды, часть атомов потеряла электроны и стала заряженной. Заряженные частицы чувствуют магнитное поле, а нейтральные — нет, поэтому одни проскальзывают сквозь другие, как вода сквозь сито. Астрономы измерили скорость этого проскальзывания: около ста метров в секунду. Немало — быстрее гоночной машины. Но почему именно столько?

Вселенная на больших масштабах похожа на гигантскую паутину: яркие скопления галактик соединены длинными нитями из галактик, газа и тёмной материи. Раньше считалось, что по этим нитям вещество, как по трубам, течёт к скоплениям. Но новое исследование показывает: нить между двумя скоплениями не просто канал, а арена перетягивания каната.

Молодая звезда окружена плоским вращающимся диском из газа и пыли — это строительная площадка будущих планет. Диск живёт своей жизнью: газ течёт к звезде, пыль слипается в комки, а снаружи на всё это давит жёсткий ультрафиолет от соседних горячих звёзд, как ветер сдувает листья с дорожки.

В центре галактики VV 340a находится сверхмассивная чёрная дыра — объект с гравитацией настолько мощной, что даже свет не может её покинуть. Она испускает релятивистскую струю — узкий поток вещества, разогнанного до околосветовых скоростей. Эта струя не сохраняет постоянного направления: её ось описывает конус, подобно оси замедляющегося волчка.

В центрах почти всех галактик скрываются сверхмассивные чёрные дыры — незримые исполины с гравитацией такой силы, что даже свет не может их покинуть. Когда две галактики сталкиваются, их чёрные дыры оказываются парой, обречённой танцевать друг вокруг друга.

Фен, направленный на кусок льда, срывает с поверхности пар и капли, и лёд постепенно тает. Примерно так же работает ветер из центра нашей Галактики: он подхватывает холодные облака газа и уносит их прочь, попутно разогревая и разрывая на части. Астрономы решили впервые систематически поискать в этом потоке молекулы — самый холодный и плотный вид газа.

Экзопланета — планета за пределами Солнечной системы — движется по слегка вытянутой орбите. При каждом обороте она то приближается к родительской звезде, то удаляется.

В ядрах многочисленных галактик таятся сверхмассивные чёрные дыры, погружённые в газопылевые аккреционные диски, насыщенные космической пылью и звёздным веществом. Взаимодействия объектов в этих дисках способны возбуждать гравитационные волны — рябь самой ткани пространства-времени.

В центре галактики NGC 1600, удалённой от нас на 200 миллионов световых лет, астрономы заметили плотное скопление звёзд. Оно выглядело как яркий узел на фоне размытого сияния — и это было неожиданно.

На расстоянии около 25 000 световых лет от Земли, в созвездии Стрельца, вокруг нейтронной звезды GX 13+1 закручена плотная завеса. Она рассеивает рентгеновские фотоны, как туман рассеивает свет уличного фонаря, и долгое время прятала от астрономов истинную мощь источника.