Одним из центральных факторов эволюции галактик является скорость образования звезд. Некоторые галактики находятся в период активного звездообразования, в то время как в других очень мало новых звезд. В широком смысле считается, что молодые галактики вступают в период быстрого звездообразования, прежде чем выровняться и стать зрелой галактикой. Но новое исследование выявило некоторые интересные факты о том, когда и почему образуются звезды.
В исследовании рассматривался тип галактических скоплений, известный как Ярчайшие скопления галактик (BCG), которые являются самыми большими и яркими скоплениями галактик, которые мы можем видеть. В этом случае команда определила 95 самых ярких скоплений, видимых с телескопа Южного полюса (SPT). Эти галактики имеют красные смещения в диапазоне от z = 0,3 до z = 1,7, что охватывает период существования Вселенной от 3,5 до 10 миллиардов лет назад.
Это хороший отрезок космического времени, поэтому можно подумать, что данные покажут, как звездообразование менялось с течением времени. С высокой скоростью, когда галактики были молоды и вокруг было много газа и пыли, а затем с низкой скоростью, когда большая часть этого сырья была израсходована. Но команда обнаружила, что внутри этих скоплений звездообразование было удивительно постоянным на протяжении миллиардов лет. Они также нашли ключ к пониманию того, когда происходит звездообразование: энтропия.
Энтропия — это тонкое и часто неправильно понимаемое понятие в физике. Его часто описывают как уровень беспорядка в системе, при котором энтропия разбитой чашки выше, чем энтропия целой чашки. Поскольку энтропия всегда возрастает, вы никогда не увидите, чтобы чашка самопроизвольно разбилась. Но на самом деле энтропия может описывать целый ряд вещей: от потока тепла до информации, необходимой для описания системы.
Следует иметь в виду, что в какой-то области пространства энтропия может уменьшаться по мере увеличения других областей. Самый распространенный пример — ваш холодильник. Внутри вашего холодильника может быть намного прохладнее, чем в остальной части кухни, потому что электрические насосы отводят от него тепло. То же самое справедливо и для жизни на Земле. Живые существа обладают относительно низкой энтропией, что возможно благодаря энергии, которую мы получаем от Солнца. Похожий эффект может произойти и внутри скоплений галактик. Поскольку газ и пыль сжимаются сами по себе под действием силы тяжести, энтропия внутри них может уменьшаться. Со временем материал становится плотнее и холоднее, и, таким образом, могут начать формироваться звезды.
На первый взгляд это кажется очевидным. Конечно, звезды могут образовываться, когда вокруг много холодного газа и пыли. Вот как это работает. Но команда обнаружила, что не существует определенной температуры или плотности, при которой образуются звезды. Эти факторы по-разному взаимодействуют друг с другом, но ключевым моментом является общая энтропия. Как только энтропия внутри скопления падает ниже критического уровня, начинают формироваться звезды. Они обнаружили, что этот критический уровень может быть достигнут за миллиарды лет, поэтому звездообразование во всех этих скоплениях настолько стабильно.
Это важный результат, поскольку он показывает, что вместо того, чтобы определить, сколько газа и пыли находится в галактике или имеет ли она достаточно низкую температуру, нам нужно только количественно оценить энтропию галактики. И когда эта энтропия достигнет нужного уровня, засияют новые звезды.
Ссылка: Кальсадилья, Майкл С. и др. «Спектроскопическое исследование SPT-Chandra BCG I: эволюция энтропийного порога охлаждения и обратной связи в скоплениях галактик за последние 10 миллиардов лет». Препринт arXiv arXiv:2311.00396 (2023).
