горячий газ

В центре почти каждой крупной галактики сидит сверхмассивная чёрная дыра. Она не просто пожирает падающий газ, но и выбрасывает часть его обратно мощными струями. Эти струи, словно гигантские поршни, толкают окружающий газ и нагревают его. Астрономы давно подозревали, что именно так чёрные дыры не дают галактикам остыть и превратиться в холодные звёздные фабрики.

Газовая мишень похожа на воронку: чем круче её стенки, тем сильнее поток. Только в этой воронке течёт не вода, а ультрафиолетовый свет, который рождается, когда мощный лазерный импульс проходит сквозь облако аргона. Эффективность такого преобразования обычно ничтожна — около 0.001%: из тысячи фотонов лазера лишь один превращается в полезный ультрафиолет.

Лазерный луч бьёт по тонкой мишени, спрятанной внутри слоёв другого материала. За миллиардные доли секунды вещество сжимается до плотности 25 грамм на кубический сантиметр — это как если бы кусок свинца стал в два с лишним раза тяжелее, оставаясь на месте. Температура подскакивает до 20 электронвольт, что примерно в 230 тысяч раз горячее комнатной.

Два волчка кружатся так близко, что почти касаются друг друга. Один — раскалённый голубой, другой — тусклый белый. Вместе они делают полный оборот за двадцать часов. Это пара Фейге 64: голубая звезда массой всего треть Солнца и белый карлик — остывшее ядро бывшей звезды — в полтора раза тяжелее нашего светила. Голубая звезда кажется слишком горячей для своей массы.

Галактика Андромеды — наш ближайший крупный сосед, и у неё, как и у Млечного Пути, есть невидимая газовая шуба. Эта шуба из очень горячего, разреженного газа простирается на сотни тысяч световых лет. Увидеть её напрямую почти невозможно — газ слишком тусклый.

Взрыв массивной звезды, сверхновой, — это не просто яркая вспышка, а мощный удар по окружающему газу, который может запускать волны звёздообразования. Однако до сих пор никто не исследовал, как сам газ движется в местах таких взрывов.

В центре скопления галактик в созвездии Персея находится галактика NGC 1275. Астрономы впервые детально разглядели ветер из разогретого газа, дующий из её ядра. Этот ветер заметен по свечению водорода и кислорода — элементов, которые при высоких температурах испускают характерное излучение.

Световое поле, подобно аккуратной вафельнице, формирует в пространстве регулярный узор из ярких и тёмных областей. В самых светлых точках, как в крошечных лунках, застревают атомы — так образуется оптическая решётка. Это излюбленный инструмент физиков для изучения квантовых свойств вещества в изолированных условиях.

Восемьсот миллионов лет после Большого взрыва — и в сердце молодой галактики уже бьётся чудовищный мотор. Чёрная дыра массой в десять миллиардов солнц пожирает вещество так жадно, что её излучение должно затмить всё вокруг. Но снаружи тишина.

Температура в центре скопления галактик достигает ста миллионов градусов. Эти крупнейшие гравитационно связанные системы — естественные лаборатории, где природа прячет 85% своей массы в невидимой тёмной материи.

В сердце огромной галактики Гидры-А кипит работа. Сверхмассивная чёрная дыра выбрасывает две мощные струи плазмы — джеты. Они пробивают окружающее облако раскалённого газа и надувают в нём гигантские пузыри. Новый японский телескоп XRISM впервые позволил измерить, с какой скоростью этот газ дрожит и движется.

Водопад, который не нагревается от падения, а замерзает, — примерно так ведёт себя газ, стекающий на нейтронную звезду в рентгеновском пульсаре, когда звезда светит тускло. Обычно падающая материя раскаляется добела, но новая работа показывает обратное.

Туманность Ориона — витрина астрофизики, лаборатория по изучению звездообразования у нас под боком. Более века её свет расщепляют в спектры, и каждая запрещённая линия шепчет свою версию того, сколько электронов в кубическом сантиметре. Но версии не совпадают: сера твердит одно, кислород — другое, азот шепчет невообразимое.

Шар, почти невесомый для своего размера, кружит вокруг звезды каждые четверо суток. Планета TOI-2195 A b — настоящая загадка: по массе она чуть тяжелее Нептуна, но раздулась до юпитерианских объёмов. Если бы существовал достаточно большой океан, эта экзопланета плавала бы на его поверхности, словно гигантский надувной мяч.

Каждый быстрый радиовсплеск — как гулкий удар колокола в пустоте. И в его затухающем звоне зашифрована вся структура пространства: на пути в миллиарды световых лет радиоимпульс слегка задерживается каждым встречным свободным электроном.

Вселенная в возрасте 700 миллионов лет — это шумная новостройка, где только начинают загораться первые огни. Телескопы поймали сигнал из этой далёкой эпохи: галактика REBELS-25, массивная и полная звёздного топлива. Радионаблюдения на телескопах VLA и ALMA выявили слабое, но уверенное свечение молекул угарного газа (CO).

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.

В астрофизике есть числа, которые кажутся случайными, но повторяются с упорством заклинания. Одно из них — отношение яркости рентгеновского излучения к свечению водородной линии H-альфа в турбулентных газовых хвостах. От галактических ветров до «медуз», рассекающих скопления, это соотношение стабильно держится около трёх.

Космос полон невидимых спринтеров — частиц, мчащихся почти со скоростью света. Их ловят в солнечном ветре, у нейтронных звёзд и даже в межгалактической пустоте между галактиками. Но что разгоняет их там, где нет ни ударных волн, ни магнитных пересоединений?

Крошечная чёрная дыра — не больше атомного ядра — парит в облаке водорода. Она не заглатывает всё вокруг, а медленно истекает излучением, худея с каждым мгновением. Так кастрюля на плите закипает не сразу: сначала по дну бегут пузырьки, потом вода бурлит всё сильнее.

Хлопок в ладоши сжимает воздух, и он разлетается в стороны — простейший удар. В космосе роль ладоней играют взрывающиеся звёзды: их ударные волны резко сжимают газ и запускают хаотическое перемешивание — турбулентность. Но как именно энергия взрыва переходит в вихри разных размеров, долго оставалось загадкой, ведь разглядеть детали в далёких туманностях очень трудно.

Сверхновая — это финальный взрыв массивной звезды, разбрасывающий вещество на световые годы вокруг. Внутри расширяющейся оболочки остаётся нейтронная звезда, а сама оболочка ещё тысячи лет несётся сквозь межзвёздный газ.

Крошечная чёрная дыра пролетает сквозь облако газа. Она не поглощает его, а наоборот — греет, как утюг, оставленный на мокрой ткани. От неё исходит излучение, и вокруг возникает горячее пятно — область, где температура в сотни раз выше, чем в окружающем космосе.

Вокруг нашей Галактики, словно невидимая корона, простирается разреженное облако газа, раскалённое до миллионов градусов. Его называют галактическим гало. Увидеть это свечение напрямую сложно — оно испускает мягкие рентгеновские лучи, которые поглощает земная атмосфера.

Гигантский котёл с кипящим супом простирается на миллионы световых лет. Это атмосфера скопления галактик Персея — облако раскалённого газа, удерживаемое гравитацией. До недавнего времени астрономы считали, что в центре этого котла газ спокойно остывает, готовясь превратиться в новые звёзды.

Пять галактик, которые давно перестали зажигать новые звёзды, выглядят как дома с погашенными окнами. Но радиотелескоп ALMA и космический телескоп Джеймса Уэбба заглянули внутрь и увидели: в этих «спящих» домах всё ещё тлеет огонь. Астрономы измерили свечение угарного газа и тёплой пыли в пяти таких галактиках, удалённых от нас на миллиарды световых лет.

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.

Магнитная ловушка в форме бублика удерживает плазму из бора и водорода. Внутри неё температура поднимается выше ста миллионов градусов — жарче, чем в центре Солнца. При такой жаре ядра сталкиваются и сливаются, выделяя энергию.

В холодном газовом облаке, где рождается звезда, химия спит. Молекулы почти не сталкиваются, реакции замирают. Но если через облако пролетает заряженная частица, она выбивает электроны из атомов — ионизирует их. Так в спящем облаке появляются активные ионы, готовые строить новые молекулы.

Вокруг каждой галактики есть невидимая оболочка из горячего газа — как пар над кастрюлей с кипящей водой. Этот газ почти не светится в рентгеновских лучах, поэтому его очень трудно измерить. Но именно в нём хранится память о взрывах звёзд и о том, как галактика росла. Новый метод использует свет от яркого центра галактики.

Кастрюля с кипящей водой стоит на плите: чем сильнее огонь, тем горячее вода и тем больше пара вырывается наружу. Примерно так же ведёт себя горячий газ в скоплениях галактик. Но в небольших группах галактик этот «пар» утекает быстрее, чем можно ожидать по температуре.

В центре Млечного Пути, среди плотных облаков газа и пыли, есть область под названием Стрелец C. Она напоминает оживлённый перекрёсток: здесь рождаются звёзды, сталкиваются потоки вещества, и всё это подсвечивается рентгеновскими лучами. Долгое время это свечение оставалось загадкой.

В чрезвычайно далёкой галактике зажглась своего рода космическая неоновая вывеска: почти всё её излучение исходит от раскалённого газа, а звёзды буквально теряются в этом сиянии. Инструменты «Джеймса Уэбба» зафиксировали, что газ — смесь водорода и гелия — разогрет настолько, что светится сам, без помощи звёзд.

В скоплении Наугольник, ближайшем к нам богатом скоплении галактик, астрономы заметили ударную волну. Она возникла, когда одно скопление врезалось в другое, как волна от носа корабля, рассекающего воду. Эта волна сжала и разогрела газ между галактиками. Две галактики оказались прямо за фронтом волны. У первой, ESO 137-001, газ срывается потоком, как листья с дерева на сильном ветру.

Газ в галактике светится, как неоновая вывеска, и по цвету этого свечения астрономы определяют, насколько он горячий. Логика простая: чем больше в газе тяжёлых элементов (астрономы называют их металлами), тем лучше он остывает. Значит, у богатых металлами галактик температура должна быть ниже. Но новые наблюдения показали обратное.

Космический телескоп TESS следит за тысячами звёзд и ловит момент, когда планета проходит по диску своей звезды — тогда свет звезды чуть-чуть гаснет. Так астрономы заметили две планеты возле звёзд, похожих на наше Солнце. Одна из них, TOI-883 b, делает оборот вокруг своей звезды за десять дней, другая, TOI-899 b, — почти за тринадцать.

В холодном и тёмном облаке газа, где только начинает формироваться звезда, телескоп ALMA разглядел необычное кольцо. Оно состоит из газа, который теплее и плотнее окружающей среды. Раньше такие детали не удавалось увидеть, потому что газ в центре облака непрозрачен для обычных наблюдений.

В облаке, где рождаются массивные звёзды, есть горячее плотное ядро. Как в переполненной кухне, где от жара плиты испаряются запахи, так и здесь тепло от молодых звёзд выпаривает молекулы с поверхности космических пылинок. Астрономы направили на такое ядро — G358.93-0.03 MM1 — большую антенную решётку ALMA в чилийской пустыне Атакама. И впервые поймали радиосигнал муравьиной кислоты.

Планета HIP 67522 b — совсем юная: ей всего 17 миллионов лет, для сравнения, Земле 4,5 миллиарда. Это горячий юпитер — газовый гигант, который крутится очень близко к своей звезде, поэтому его атмосфера разогрета и раздута.

В густом облаке газа, где зарождается звезда тяжелее Солнца, есть крошечный источник радиоволн. Он работает как лазер: молекулы метанола усиливают излучение, и мы видим яркую точку. Но эта точка ведёт себя странно — её яркость скачет вверх и вниз за считаные часы. Учёные следили за источником G33.641-0.228 с 2009 по 2016 год.