Построить непротиворечивую картину эволюции

 19 ноября объявят победителей премии «Просветитель», учрежденной в 2008 году почетным президентом компании «Вымпелком», основателем Фонда «Династия» и участником проекта «Сноб» Дмитрием Зиминым. Этим отрывком из книги под редакцией Владимира Сурдина «Галактики» мы продолжаем знакомить читателей с текстами финалистов премии

Два подхода к изучению эволюции галактик

Детальные исследования звездного состава ближних галактик свидетельствуют, что во всех в них есть старые звезд возрастом не менее нескольких миллиардов лет. Это означает, что галактики вокруг нас прошли долгий жизненный пусть с тех пор, как миллиарды лет назад сформировалась их начальная структура и первое звездное население. Что происходило с галактиками на разных этапах этого пути? Как они эволюционировали?

Нет сомнений, что галактики менялись свою светимость, цвет и спект, поскольку давно родившиеся поколения звезд постепенно старели и вымирали «с массивного конца»: как известно, массивные звезды живут совсем мало по космическим меркам — около 10 млн лет, тогда как звезды с массой Солнца светят почти 10 млрд лет. Однако в процессе жизни любой галактики свой свет в ее общую светимость добавляли новые звезды, рождавшиеся на очередном этапе ее эволюции. Поскольку история звездообразования у каждой галактики своя — в разное время к разным ее подсистемам добавляется разное количество молодых звезд, — то эволюция цвета и спектра каждой звездной системы своеобразна и неповторима. Химический состав звезд и межзвездного газа в галактике со временем может изменяться, а точнее — он обязательно должен изменяться, поскольку звезды в процессе своего термоядерного горения синтезируют из водорода путем разных реакций всю таблицу Менделеева. Чем дольше живет галактика и чем дольше горят в ней звезды, тем, казалось бы, больше должно быть в ее веществе тяжелых химический элементов, синтезированных в звездах. Тот факт, что химический состав звезд диска нашей галактики практически не менялся последние 8-9 млрд лет, удивляет и требует объяснения. Эту особенность химической эволюции нашей звездной системы нужно понять и промоделировать, что, впрочем, и делают весьма успешно исследователи химической эволюции галактик.

Наконец, в ходе эволюции галактики могут менять не только состав своего вещества и соотношение звезд разного типа, но даже свою форму и морфологический тип.

Это самая удивительная, грандиозная и впечатляющая эволюция, которая происходит под действием процессов, описываемых законами звездной и газовой динамики.

Изучать эволюция галактик путем наблюдений можно двумя принципиально разными способами. Первый состоит в том, чтобы детально разглядывать близкие к нам галактики — современный продукт их предшествовавшей эволюции — и по набору их нынешних свойств пытаться восстановить историю их жизни, которая привела именно к такому конечному продукту. Разумеется, этот способ модельно зависим: пытаясь теоретически воспроизвести конечный продукт, мы вынуждены манипулировать известными нам физическими механизмами эволюции и не можем угадать иные механизмы, которых просто пока не знаем. Но возможен и альтернативный подход: можно непосредственно наблюдать галактики с разными красными смещениями, которые, согласно закону Хаббла, расположены на разных расстояниях от нас и, в силу конечной скорости света, видны с разным запаздыванием во времени. Чем больше красное смещение галактики, тем в более глубоком прошлом мы ее видим, тем дальше она от нас в пространстве и, к сожалению, тем труднее ее исследовать. Но современная наблюдательная техника достигла невероятно высокой чувствительности: сейчас практически вся Вселенная просматривается большими телескопами насквозь, вплоть до эпохи, отстоящей от Большого взрыва не более чем на полмиллиарда лет. Именно в эту эпоху, по современным представлениям, галактики начали зарождаться.

Казалось бы, именно второй подход гарантирует нам прямой способ изучения эволюции галактик: поскольку мы наблюдаем их на разных стадиях эволюции, есть возможность выстроить полную эволюционную последовательность. Но на самом деле второй подход тоже модельно зависим. Глядя в глубь веков, мы не можем пронаблюдать жизненный цикл какой-то одной галактики: на разных стадиях эволюции мы наблюдаем разные галактики, причем в режиме «стоп-кадров». В масштабе галактик эволюционные процессы развиваются так медленно, что мы не замечаем изменений в каждой конкретной галактике и лишь подозреваем, что из одних, более ранних, галактик со временем получаются другие, более поздние, близкие к нам в пространстве и времени. Чтобы их отдельных «стоп-кадров» разных эпох построить непротиворечивую картину эволюции, все равно требуются предположения о механизмах эволюции. Кроме того, необходимо согласовать количество галактик-предшественников и их прямых потомков на разных красных смещениях, т. е. в разные эпохи. Поэтому наиболее продуктивный подход при восстановлении истории жизни галактик — пытаться сочетать оба метода, используя все имеющиеся наблюдательные данные.

Владимир Сурдин