На протяжении большей части истории астрономии мы могли видеть только звезды. Мы могли видеть их индивидуально, в скоплениях, в туманностях и в нечетких сгустках, которые мы считали скоплениями звезд, но на самом деле были галактиками. Дело в том, что большую часть того, что находится снаружи, увидеть гораздо труднее, чем звезды и галактики. Это газ.
Теперь, когда астрономы могут видеть газ лучше, чем когда-либо, мы можем увидеть, как галактики вдыхают и выдыхают его. Когда они перестают им дышать, звезды перестают образовываться.
На заре существования Вселенной все было газом. Не было ни звезд, ни галактик. Перенесемся примерно на 13,5 миллиардов лет вперед, и мы увидим галактики и их звезды практически везде, куда бы мы ни посмотрели. Но подавляющее большинство материи в галактике по-прежнему представляет собой газ.
Газ есть везде. Когда оно находится в пространстве между галактиками, мы называем его межгалактической средой. Когда газ тесно окружает галактику, мы называем его окологалактическим газом. Между ними нет барьера, это просто названия, которые астрономы используют, чтобы о них говорить.
Астрономы начинают понимать поток газа между галактикой, ее окологалактической средой и межгалактической средой. Поток регулирует звездообразование, и когда этот поток прекращается, галактика перестает дышать.
Звезды, гравитация, температура и плотность газа — все это играет роль в дыхании галактик. Когда Вселенная зародилась, газ собрался в галактиках и образовал звезды. Когда звезды умирают, особенно в виде сверхновых, они выбрасывают газ обратно. В этот момент газ относительно горячий, диффузный и сопротивляется уплотнению.
Но когда газ покидает галактику, он остывает. По мере охлаждения ее плотность увеличивается, и гравитация галактики может сильнее схватить ее. Затем газ втягивается обратно в галактику, где он может снова выпасть из облаков, образуя звезды. Именно так газ перерабатывается или выдыхается в галактиках и из них.
Астрономы не знали об этом галактическом дыхании до 1960-х годов, когда они смогли наблюдать свет от далеких квазаров, путешествующий через весь этот газ. Теперь у астрономов есть лучшие инструменты, чтобы увидеть этот газ, и их понимание растет.
CGM представляет собой гораздо меньшую область, чем IGM, и к тому же гораздо более слабую. Однако регион играет жизненно важную роль в переработке отходов. «CGM является источником звездообразующего топлива в галактике, местом галактической обратной связи и переработки и, возможно, ключевым регулятором поставок галактического газа», — говорится в документе 2017 года.
Астрономы, изучающие CGM, нашли убедительные доказательства существования галактик. Это результат изучения отдельных газовых облаков за пределами галактик. Некоторые из этих газовых облаков имеют более высокую металличность, чем другие облака. Только звезды могут создавать металлы, поэтому облако газа с более высокой металличностью должно быть оттоком газа, пришедшим от звезд. Газ с высокой металличностью — это выдыхаемый газ, который уже был в галактике, но был вытеснен наружу.
Астрономы также обнаружили, что газ в CGM, ближайшем к галактике, имеет более высокую металличность. «Окологалактическая среда может даже вызвать восхищение: могли ли тяжелые элементы на Земле перемещаться взад и вперед через CGM Млечного Пути несколько раз до образования Солнечной системы?» — спрашивает газета 2017 года.
Астрономы обратились к крупномасштабным исследованиям, чтобы глубже изучить дыхание галактик. Оказывается, газ в CGM до 1000 раз плотнее, чем газ в IGM. Его температура колеблется от 10 000 до 1 миллиона Кельвинов, что одновременно холоднее и горячее, чем газ в IGM. Но до сих пор трудно понять, что именно происходит. Сигналы поступающего газа часто перекрываются сигналами самой галактики, что затрудняет их изучение. С другой стороны, выходящий газ легче увидеть.
Причина оттока неясна. Сверхновые могут сыграть свою роль, а также мощные звездные ветры от массивных горячих молодых звезд. Струи черных дыр и обратная связь также могут сыграть свою роль.
Каковы бы ни были абсолютные причины этого газового дыхания, оно в конце концов прекращается. Астрономы называют это «гашением», и этому есть множество доказательств. После затухания галактика называется «спокойной галактикой» и больше не образует звезд. В обзорах неба еще дышащие галактики все еще формируют звезды и кажутся синими, а неподвижные галактики кажутся красными. Между ними не так уж и много.
Но в понимании гашения астрономы сталкиваются с той же проблемой, что и в случае притока газа в галактики: отсутствие убедительных доказательств. И некоторые доказательства, которыми располагают астрономы, весьма озадачивают.
Например, некоторые исследования обнаружили, что газ гравитационно связан с красными, погашенными галактиками. Газ холодный и достаточно плотный, чтобы образовывать звезды, но по какой-то причине он не попадает в галактики. Итак, под рукой имеется достаточно топлива для звездообразования, но оно не может попасть в галактику.
Трудность наблюдения за падающим газом означает, что более полное понимание галактического дыхания на данный момент недостижимо. Но у астрономов есть еще один инструмент: моделирование.
Одна симуляция под названием FIRE: Feedback In Realistic Environments моделирует формирование галактик и их звезд по мере того, как газ течет в них и выходит из них в течение миллиардов лет. Одно из симуляций показывает, как галактика Млечный Путь формируется с течением времени. Формирование галактик на самом деле никогда не заканчивается, и моделирование дает полезную визуализацию того, как теплый газ покидает галактику, а холодный плотный газ возвращается обратно.
Как только звезды перестанут формироваться, перестанут формироваться и планеты. В более широком смысле, вероятно, так же и жизнь. С этой точки зрения гашение галактики — это гашение возможностей. Каково было бы быть инопланетным астрономом внутри потухшей галактики, где звезды стареют и не образуются новые? Это странная, меланхоличная мысль.
Но однажды погаснут не только галактики. Мы живем в звездную эпоху, когда материя организована в планеты, звезды, галактики и скопления галактик. Примерно через 100 триллионов лет эта эра закончится, как если бы вся Вселенная погасла. Останутся только белые карлики, коричневые карлики, нейтронные звезды и черные дыры.
Новые звезды больше никогда не образуются, Вселенная станет темной и холодной, и все, о чем когда-либо думало человечество, включая то, как галактики дышат газом и формируют звезды, станет спорным.
