Комп'ютер розкрив таємницю народження стовпів творіння
Серце туманності Орла (тут показаний її фрагмент) - це розширюється регіон гарячого іонізованого газу, на світлому тлі якого різко виділяються темні, холодні і «рвані» краї великої хмари, який породив колись дану туманність і зоряне скупчення (фото T.Rector / University of Alaska).
Ці колони газу - один з найбільш відомих образів космосу. Але ж серед туманностей можна зустріти і не такі вражаючі форми. Але хоча самі гігантські освіти давно знищені, астрономів продовжує хвилювати питання - як вони виникли? Відповідь на нього має пряме відношення до процесів народження зірок, а значить, опосередковано і до нас з вами.
Здавалося б, що може бути нудніше величезних скупчень холодного газу (переважно водню) і пилу? Хіба що незвичайна форма. Такі Стовпи Творіння. Вони мало пропускають видиме світло і тому контрастно виділяються на тлі гарячого плазмового міхура, розташованого позаду. Простяглися ці колони матерії на кілька світлових років.
Можна припустити, що така специфічна форма цих утворень - жарт Природи, тобто абсолютно випадкова річ. Але це не так. Вчені з'ясували, що народження Стовпів - процес дуже навіть закономірний. Тонкі деталі цього величного «стовпотворіння» почали розкриватися перед дослідниками тільки зараз, а тому націлимо наші зорельоти на сузір'я Змії, де на відстані 7 тисяч світлових років від нас і відбуваються описувані події.
Як би не вражали Стовпи Творіння уяву глядачів, вони є лише малою частиною туманності Орла (Eagle Nebula), що розкинулася приблизно на 70 світлових років. Туманність Орла - це не тільки власне туманність (емісійна), але і молоде розсіяне скупчення, члени якого були народжені тут.
Процеси зореутворення йдуть в туманності і зараз (бо власне - «Стовпи Творіння»). І знамениті на весь світ «колони» газу - лише одне з потенційних місць, де ще можуть з'являтися нові зірки (вірніше, де вони, ймовірно, з'являлися до недавнього часу, але про це - нижче). Однак пік народження світил в туманності Орла в цілому пройшов вже мільйон років тому. І перші молоді та гарячі сонця своїм випромінюванням встигли розігнати газ в центрі.
Там виникла типова область H II. регіон іонізованого водню. А ось краю великого холодного хмари, що дав початок всієї цієї пишноти, нині під дією ударних хвиль в газі відступають назовні. І відступають дуже нерівномірно. Стовпи - одна з таких яскравих неравномерностей.
Як вона була народжена? До сих пір астрофізики лише висловлювали чисто умоглядні міркування. Але ось Ендрю Лім (Andrew Lim) і його колеги з Дублінського інституту передових досліджень (Dublin Institute for Advanced Studies) провели масштабне чисельне моделювання, відкрити завісу таємниці Стовпів.
Туманність Орла. Стовпи Творіння тут можна помітити майже точно в центрі. А справа, зліва, зверху - інші приклади химерних утворень з холодного газу, що розбігаються від центру туманності геть (фото T. A. Rector B. A. Wolpa, NOAO, AURA, NSF).
Для початку розберемо, чому газ взагалі відступає від молодих блакитно-білих зірок. Причина в потужному потоці ультрафіолету, який ці зірки обрушують на свою рідну туманність зсередини. Ультрафіолет цей не просто створює світлове тиск (що очевидно), він ще іонізує і «випаровує» чималу дещицю водню з освітленої сторони хмари (явище фотоіонізації). Ці частинки з високою швидкістю залишають його і створюють реактивну силу (відповідно до третього закону Ньютона), яка відкидає залишився газ.
Локальні нестійкості в газовій хмарі призводять до того, що межа розширюється туманності стає дуже звивистій. Але тут, втім, до появи саме Стовпів - далеко.
Лім і його товариші вирішили з'ясувати, що буде, якщо в вихідному газовому хмарі були якісь нерівномірності - невеликі ділянки більшої, ніж в середньому, щільності. Оскільки такий «грудку» має велику масу, реактивна сила від фотоионизации буде зрушувати його з місця повільніше, ніж «здувати» навколишній газ. Поки все логічно. Але тут виникає питання: а що змусить цей згусток витягатися в довгу колону? Комп'ютер показав, що поодинці таке скупчення не може сформувати Стовп за скільки-небудь прийнятний час.
Виявилося, «процес стовпотворіння» починається, коли кілька таких газових кульок виявляються неподалік один від одного, причому формують хитромудру комбінацію, в якій одні скупчення газу і пилу частково екранують від світлового потоку ближньої зірки інші такі ж скупчення.
У частково освітленому згустку фотоионизация породжує асиметричні сили, які прагнуть підштовхнути газ в сторону тіні. Подальше збільшення щільність зароджується стовпа формує ще більш щільну тінь, в яку все той же світло починає заштовхувати все більше і більше матерії з боку. І відбувається це на тлі все прискореного «вимивання» водню (і інших речовин) з ділянок, що потрапляють під прямі удари ультрафіолету.
Спочатку дослідники виконали двовимірну симуляцію зростання «стовпів». Чорний колір означає низьку концентрацію газу, зелений - середню, жовтий і червоний - підвищену і високу. Зірка ллє свій ультрафіолетовий потік зліва. Спочатку є 10 порівняно невеликих скупчень матеріалу (глобул), які служать зернами для формування «колон». По краях малюнків - шкали в парсеках. Між першою і останньою картинкою - 100 тисяч років (ілюстрація A. Lim / J. Mackey / DIAS).
У такій манері Стовпи Творіння не так самі «виростають з", скільки виявляються «вирізаними» з початкової маси газу, немов самотньо стоять скелі-останці під дією вітру і води.
Так вони з'ясували, що як тільки в тому чи іншому місці туманності складається сприятлива ситуація - тобто кілька «вузлів» водню виявляються на правильному відстані один від одного при наявності великого простору менш щільного газу навколо, куди добре проникало б випромінювання, - колони починають формуватися неминуче. При цьому на їх створення йде близько 150 тисяч років, а прожити вони можуть близько 100 тисяч років, «говорить» комп'ютерна модель.
І цифри ці добре узгоджуються з тим, що астрономи знають про туманність Орла і її Стовпи Творіння.
Вгорі: тривимірна модель формування Стовпів. Показані кадри, «зняті» через 100, 200 і 300 тисяч років після початку процесу (на даних трьох малюнках світло зірки «тисне» зверху). Внизу - три розрізу тієї ж об'ємної симуляції в різних площинах. Кольори, як і раніше, показують щільність газу. Причому синій колір в даному випадку - іонізований водень, який залишає освітлений шар туманності, той самий, що відкидає решта газу геть. Останнє видно по стрілках, довжина яких відображає швидкість руху часток (ілюстрація A. Lim / J. Mackey / DIAS).
Цікаво, що для початку вчені перевірили свої ідеї на двомірної моделі газу. А коли в ній стали виростати величні темні колони - склали і тривимірну модель процесу. Вона підтвердила всі висновки більш простої версії програми. Одночасно стало видно деякі секрети еволюції Стовпів. Так, стало чітко зрозуміло, що один щільний «кому» матеріалу нічого не може без сприяння пари сусідніх меншого розміру, які на його основі ліплять майбутній гігантський Стовп.
І все одно приємно, що навіть спрощені моделі дали результати, подібні з тим, що ми бачимо на небі, - по щільності і розмірів Стовпи з комп'ютера були схожі на Стовпи Творіння в туманності Орла. Значить, Лім і його колеги знаходяться на вірному шляху.
Ще одне витягнуте газова хмара в туманності Орла. На знімку під заголовком воно і сусідні з ним Стовпи Творіння відзначені зеленими рамками (фото Hubble Heritage Team, (STScI / AURA), ESA, NASA).
На жаль, самим Стовпам (оригінальним) вже не світить можливість продовжити ущільнення і створення зірок усередині. Як недавно встановили астрономи, приблизно шість тисяч років тому (в реальному часі) Стовпи Творіння були знищені близьким вибухом наднової, який змів всі ці газові нагромадження. Але оскільки відстань від нас до місця подій - 7 тисяч світлових років, ми ще тисячоліття зможемо спостерігати вигляд Стовпів в незайманому вигляді.
Однак ніщо не заважає зіркам формуватися в інших схожих областях.
В цілому ж виявлений процес двояко впливає на здатність великих і щільних туманностей породжувати зірки. З одного боку, в Стовпах та інших подібних структурах йде ущільнення водню і ряду інших елементів, здатне привести до колапсу частини хмари і виникненню зірки або декількох зірок. З іншого, ті зірки, які народилися в тій же самій туманності раніше, інтенсивно розганяють залишилася матерію геть, так що врешті-решт щільні завіси газу зникають безслідно, а на місці залишається лише «чисте» зоряне скупчення типу Плеяд.
Знімок Стовпів Творіння, що комбінує видимий спектр з рентгенівським діапазоном. Безліч кольорових гуртків, розкиданих по полю зору, - це рентгенівські джерела, а по суті - великі молоді зірки. У Стовпах, як видно, таких новонароджених зірок майже немає. Найяскравіше виняток - зірка, видима як блакитна точка, «вмонтована» в кінець найбільшого Стовпа. Ця зірка важить 4-5 Сонць, - повідомляє NASA. А ще, міркують астрономи, ті Протозірки, що там (в Стовпах) все ж є, - недостатньо гарячі, щоб давати сильний потік рентгена. Більша ж частина Стовпів - порожня, а це і означає, що в туманності пік народження зірок давно минув і Стовпи переживають занепад, який, як ми тепер знаємо, в реальності вже закінчився повним «розвіюванням за вітром» (фото NASA / CXC / J. Linsky (U.Colorado) et al. і NASA / ESA / STScI / J.Hester, P.Scowen (ASU)).
Туманність Орла з «діркою» H II всередині знаходиться десь між двома цими крайніми станами і тим цікава.
Через видування газу випромінюванням перших зірок, сформованих в даній колиски, лише 10% газу, спочатку зібраного в подібному гігантському хмарі, йде на народження світил, решті водень - розсіюється в просторі.
Можна тільки пофантазувати на тему - чи є у зірок в таких скупченнях планетні родини і встигає там зародитися життя, перш ніж який-небудь вибух близької наднової стерилізує світи. Але ж найбільші з сонць, що виникли в туманності, подібної з туманністю Орла, проживають своє коротке життя і вибухають ще до того, як в інших частинах хмари завершаться процеси народження інших світил. Феєричний круговорот.