Водородные облака во Вселенной

• Астрономические объекты

Водород — самый распространённый химический элемент во Вселенной, составляющий около 75% всей массы видимой материи. Он является основным компонентом межзвёздной среды и играет ключевую роль в процессах формирования звёзд и галактик.

Астрономы могут изучать водород с помощью его радиоизлучения на длине волны 21 см, которое возникает при изменении спинового состояния электрона в атоме водорода. Это излучение позволяет наблюдать даже те участки космоса, которые скрыты плотными пылевыми облаками и недоступны для оптических телескопов.

Структура и распределение водорода в Галактике

Водородные облака в нашей Галактике Млечный Путь имеют чётко выраженную структуру:

• Они концентрируются в спиральных рукавах, где происходит активное звездообразование.
• Эти облака вращаются вокруг центра Галактики, как планеты вокруг Солнца, и их скорость зависит от удалённости от ядра.
• Изучая движение этих облаков, учёные могут вычислить массу и форму Галактики, а также оценить влияние тёмной материи, которая удерживает эти гигантские структуры на орбитах.

Спиральные рукава Млечного Пути были впервые подробно изучены благодаря радионаблюдениям. Именно по этим данным удалось подтвердить четырёхрукавную структуру галактики и точно определить положение Солнца внутри неё — примерно на расстоянии 26 000 световых лет от центра.

Облака молекулярного водорода: древнейший строительный материал

Особый интерес представляют собой облака молекулярного водорода, поскольку они являются основными колыбелями новых звёзд. Недавние исследования позволили обнаружить очень древние облака, содержащие почти исключительно водород без примесей тяжёлых элементов.

Исследование с использованием спектрометра HIRES

Учёные использовали данные, собранные с высокоточного спектрометра HIRES, установленного на телескопе обсерватории Кека. Анализ света от двух удалённых квазаров, находящихся на расстоянии 12 миллиардов световых лет, показал, что этот свет прошёл через два облака молекулярного водорода, расположенные на расстоянии 11,8 и 11,6 млрд световых лет от Земли.

Особенности облаков:

• В них практически отсутствуют тяжёлые элементы, такие как углерод, кислород или железо.
• Это указывает на то, что они образовались на ранних этапах эволюции Вселенной, до того, как сверхновые начали «засеивать» пространство тяжёлыми элементами.
• Такие облака могут быть первоначальными резервуарами вещества, из которых формировались первые звёзды и галактики.

Это открытие заставляет пересмотреть существующие представления о том, как именно шло формирование структур во Вселенной после Большого взрыва.

Водородные облака и источники тяжёлых элементов

Долгое время считалось, что тяжёлые элементы, такие как золото, платина или уран, образуются преимущественно при взрывах сверхновых. Однако новые данные показывают, что важную роль могут играть и другие явления.

Столкновения нейтронных звёзд

В сентябре 2011 года в журнале The Astrophysical Journal была опубликована статья, в которой говорилось, что столкновения нейтронных звёзд в двойных системах также могут приводить к образованию тяжёлых элементов.

Почему это важно?

• По современным моделям, одних сверхновых недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемое количество тяжёлых элементов во Вселенной.
• Столкновения нейтронных звёзд сопровождаются выбросом огромного количества энергии и материи, что может быть ключевым механизмом распространения металлов по космосу.

Астрономические наблюдения водородных облаков

Галактика «Вертушка» (М51)

Галактика М51, известная как «Вертушка» из-за своей красивой спиральной формы, окружена огромным облаком ионизированного водорода. Это стало возможным благодаря наблюдениям с использованием радиотелескопа в Аризоне.

Что обнаружили:

• Облако было выброшено за пределы галактики, а затем разогрето излучением от сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики.
• Это помогает понять, как чёрные дыры влияют на окружающую среду, и как водородный газ уходит из галактик.

Такие процессы ранее наблюдались только на очень больших расстояниях. Теперь же, благодаря близости этой галактики, можно изучать их детально.

Самые крупные водородные облака

Гигантское облако в созвездии Льва

Одним из самых удивительных объектов стал гигантский комок нейтрального водорода, случайно обнаруженный американскими астрономами из Корнеллского университета при помощи радиотелескопа Аресибо.

Характеристики:

• Диаметр: в 10 раз больше Млечного Пути.
• Масса: около одного миллиарда масс Солнца.
• Находится на расстоянии 65 миллионов световых лет от Земли.
• Имеет скорость вращения около 80 км/с вокруг собственного центра масс.

Возможность формирования новой галактики

Учёные предполагают, что такое облако может стать колыбелью будущей галактики, что ставит под вопрос популярную теорию, согласно которой все галактики сформировались сразу после Большого взрыва.

Водородные облака, покидающие центр Млечного Пути

Группа астрономов с использованием телескопа GBT (Зеленый Банк) обнаружила более 100 водородных облаков, улетающих из центра Млечного Пути в межгалактическое пространство.

О чём говорит это открытие?

• Это связано с так называемыми пузырями Ферми — гигантскими структурами горячего газа, простирающимися выше и ниже плоскости галактики.
• Центральная область Млечного Пути — это место, где находится сверхмассивная чёрная дыра Стрелец A*, а также происходят мощные звёздные взрывы и рождение новых звёзд.

Свойства облаков:

• Состоят из нейтрального водородного газа, который излучает на волне 21 см.
• Облака заполняют конусообразную область, простирающуюся более чем на 5000 световых лет над и под диском.
• Средняя скорость облаков — 330 км/с, что указывает на мощные силы, выбрасывающие их из центра.

Открытые вопросы:

• Неизвестно, где облака теряют свою структуру — возможно, они ионизируются или рассеиваются в межгалактическом пространстве.
• Требуется дальнейшее изучение, чтобы понять, как эти облака влияют на эволюцию самой Галактики.

Облако Смита — возвращение домой

Одно из самых известных водородных облаков — Облако Смита, открытый ещё в 1960-х годах студенткой Гейл Смит. Это гигантская структура, возвращающаяся обратно в Млечный Путь после многомиллионной «поездки» в межгалактическое пространство.

Данные телескопа Hubble (2019 год):

• Облако имеет форму кометы, размером 11 000 × 2 500 световых лет.
• Оно движется к нам со скоростью более 300 км/с.
• В нём обнаружено большое количество серы, что указывает на происхождение из внешних районов диска Млечного Пути.

Чем опасно Облако Смита?

Когда оно столкнётся с нашим диском, начнётся интенсивное звездообразование. В облаке достаточно газа, чтобы сформировать до 2 миллионов новых звёзд.

Если бы мы могли видеть его невооружённым глазом, оно занимало бы 30 лунных диаметров на ночном небе.

Откуда оно взялось?

Точные причины выброса облака остаются загадкой. Существует несколько гипотез:

• Выброс был вызван взрывами сверхновых.
• Возможно, облако было вырвано проходящим через галактику скоплением тёмной материи.
• Есть версия, что оно попросту «сбежало» из области, где действовала сильная гравитация.

Интересный факт: водород и звёзды

Астрономы давно используют звёзды спектральных классов O и B для изучения структуры Млечного Пути. Эти звёзды яркие и легко обнаруживаемые. При помощи доплеровских смещений и радионаблюдений учёные смогли создать подробные карты спиральных рукавов, используя радиосигналы от водородного газа.