Объекты глубокого космоса > Галактики > Что такое межгалактическое пространство?
Пространство, заполняющее пробел между звездами, называют межзвездным. Так что, то же самое пространство, но между галактиками, будет межгалактическим. Это огромные пустоты, разделяющие галактики. Например, если вам вздумалось попутешествовать от Млечного Пути к Андромеде, то придется преодолеть 2.5 миллиарда световых лет межгалактического пространства.
Оно настолько близко, насколько вы способны добраться до абсолютного вакуума. Там невероятно мало пыли и мусора (1 атом водорода на м 3 ). Галактики связаны разреженной плазмой, обладающей волокнистой структурой и плотнее средней вселенской плотности. Это межгалактическая среда, состоящая по большей части из ионизированного водорода. Она в 10-100 раз плотнее средней плотности Вселенной.
Межгалактическую среду можно увидеть в телескопы Земли, потому что способна нагреваться до миллиона градусов. Это достаточно высокая температура, позволяющая электронам сбегать от водородных ядер в момент столкновения. Рентгеновский спектр улавливает освобожденную в этом ударе энергию. Подобными исследованиями занимается рентгеновская обсерватория Чандра, которой удалось отыскать облака горячей межгалактической среды в участках, где галактики сталкиваются в скоплениях. Посмотрите видео, чтобы узнать больше о пространстве между галактиками.
Все, что астрономы знают о Вселенной известно благодаря наблюдениям. Вглядываясь в глубины космоса, космический телескоп Hubble отправляет на нашу планету снимки далеких звезд, планет и галактик. По оценкам ученых только в наблюдаемой Вселенной находятся около двух триллионов галактик. Это трудно представить, однако благодаря фотографиям мы имеем о них и их расположении некоторое представление. Астроном Эдвин Хаббл еще в 1925 году определил несколько видов галактик: эллиптическая, неправильная, обычная спиральная, пересеченная спиральная и линзообразная. Выходит, ученые знают какие бывают галактики и что происходит внутри них, но знают ли они что находится между галактиками?
15 тысяч галактик в объективе телескопа Hubble
Что такое галактика?
Для начала на примере Млечного Пути давайте разберемся что представляют из себя галактики. Итак, галактика — это огромная гравитационно связанная система. В ней содержится порядка 200 миллиардов звезд, а также туманности, темная материя, планеты, облака пыли и газа, а также звездные скопления. Все объекты, находящиеся в галактике, участвуют в движении относительно общего центра масс. В самом сердце галактики находится сверхмассивная черная дыра, которая, кстати, по сообщениям ученых в последнее время ведет себя довольно странно.
Так выглядит центр Млечного Пути
В зависимости от вида, согласно классификации Эдвина Хаббла, каждая галактика имеет свои особенности. Так, Млечный Путь по своей форме в профиль отдаленно похож на “летающую тарелку”. А не так давно ученые выяснили, что наша галактика совсем не плоская, как считалось раньше — оказалось, что Млечный Путь больше напоминает гармошку, так как галактика как будто смята ближе к краям.
Расстояние между галактиками чрезвычайно велико. Так, ближайшая к нам галактика Андромеда располагается на расстоянии 2,5 миллионов световых лет от Земли. Такое расстояние сложно себе представить. Но что находится между галактиками?
Кстати, обсудить столкнется ли наша галактика с галактикой Андромеды можно в нашем Telegram чате
Еще одна загадка Вселенной
Вскоре после Большого взрыва Вселенная была заполнена газом, в основном водородом. Со временем, то тут то там, гравитация стала стягивать газ к облакам, которые впоследствии превратились в галактики внутри которых родились звезды. Знаете по какой причине сияют звезды? Все дело в термоядерном горении водорода — те звезды, что превращаются в сверхновые и погибают после взрыва “выталкивают” газ обратно из галактик.
Там, в таинственном межгалактическом пространстве, газ охлаждается и становится плотнее. Там он и находится, пока сила гравитации не втягивает его обратно в галактику, где образуются новые звезды. Процесс повторяется: гравитация конденсирует газ в галактики и звезды, звезды взрываются и выбрасывают газ, гравитация снова притягивает газ и рождаются новые звезды.
Телескоп Hubble сделал снимок взрыва сверхновой
Со временем в любой галактике начинает заканчиваться перерабатываемый газ. А без газа во Вселенной не могут образовываться новые звезды; старые звезды живут своей жизнью и умирают, и в конечном итоге галактика тоже умирает. Галактики обитают в так называемой газовой ванне, среде, из которой они родились, и которая питает их. Галактики вдыхают и выдыхают газ, а звезды продолжают гореть, пока газ не исчезнет. Красиво звучит, правда?
Еще больше удивительных фактах о Вселенной читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен
Из чего состоит Вселенная?
Раньше проблема с проверкой этой теории заключалась в том, что приборы астрономов были едва способны обнаружить признаки межгалактического газа, не говоря уже о его появлении и исчезновении. Однако сегодня, благодаря более чувствительным инструментам, ученые знают намного больше. Полученные данные говорят о том, что межгалактическая среда богата газом, который наполняет Вселенную и порождает галактики. Чуть менее убедительные, а иногда и загадочные свидетельства в около галактической среде показывают, что галактики живут за счет рециркуляции газа в звезды и из звезд.
А вот доказательства того, что у галактик может закончиться газ, и звезды перестанут рождаться, что приведет к гибели галактики пока только предварительные. Дело в том, что даже в молодой Вселенной газ не однороден. Межгалактическая среда также не является чистым водородом: она частично заполнена элементами, более тяжелыми, чем водород, которые появляются, когда звезды взрываются и умирают.
И все же, несмотря на множество вопросов, ученые сходятся во мнении, что эта древняя, охлаждающая, разреженная межгалактическая среда является хорошо понятой сущностью, которая содержит убедительную картину того, когда и из чего возникли галактики.
Однако, несмотря на появление новых инструментов и совместной работы ученых, на сегодняшний день общей картины рождения, жизни и смерти галактик нет. Чтобы лучше понять это, ученые прибегают к помощи компьютерной симуляции — так, недавно астрономы создали 8 миллионов галактик внутри компьютера. Вне зависимости от того, реальны симуляции или нет, именно с их помощью ученые смогут получить ответы на вопросы о природе межгалактического газа. Дело в том, что симуляции — наиболее ясная визуализация того, как газ мог создать галактики.
Ученые полагают что сегодня, 13,8 миллиардов лет спустя после Большого взрыва, только 60% газа сосредоточено в межгалактической среде; остальное находится в около галактической среде и внутри галактик. Получается, что на просторах Вселенной галактики нанизаны на пустоты, похожие на освещенные автомагистрали. Красиво! Несмотря на то, что многое пока остается загадкой.
Но как бы то ни было. все же интересно подробнее узнать о среде Космоса.
Комментарии (9)
включает разреженный газ, космич. лучи, нейтрино, кванты эл.-магн. излучения (гл. обр. реликтового) и др. виды материи, заполняющей пространство между галактиками. От плотности М. с. может зависеть характер эволюции (расширения) Вселенной (см. Космология), однако точное значение плотности ещё не определено Межгалактическое пространство заполнено крайне разреженным газом со средней плотностью менее 1 атома водорода на 1 дм³
Космическая пыль — общий термин для всех космических осколков до 0,1 мм, в том числе для очень маленьких, которые состоят всего лишь из нескольких молекул. Космическую пыль различают по области происхождения: межгалактическая пыль, межзвездная пыль, межпланетная пыль и околопланетная (обычно в кольцевой системе) пыль.
Межгалактическое пространство заполнено газом. Его средняя плотность не превышает одного атома на кубический дециметр, однако общая масса межгалактического газа, возможно, превышает массу содержащуюся во всех звездах. Его температура достигает десяти миллионов градусов, а нагревание обеспечивается за счет звездного ветра, разлетающихся оболочек сверхновых звезд (см. Звезды, сверхновые), которые можно назвать галактическим ветром и электромагнитного излучения возникающего за счет аккреции вещества на черные дыры. Часть межзвездного газа сосредоточена в межгалактических облаках, которые сильно отличаются друг от друга по своим плотностям и температуре. Химический состав межгалактического газа разнообразен. В межгалактической среде обнаружены атомы водорода, гелия, углерода, азота, кислорода, серы и различных металлов. Это свидетельствует о том, что значительная часть межгалактического газа была выброшена из галактик, и он является продуктом переработки вещества в недрах звезд (см. Звезд, эволюция). Изучение межгалактической среды позволяет решать космологические задачи, связанные с исследованием эволюции Вселенной. Спектр межгалактического газа наблюдается на фоне галактик или других объектов. При наблюдениях любых предметов мы видим их такими, какими они были, когда от них ушло электромагнитное излучение, которое мы зарегистрировали только сейчас. Излучение пришедшее, например, от квазаров отстоящих от нас на миллиарды световых лет, дают информацию о том какими они были миллиарды лет назад. На луче зрения при этом оказываются все газовые массы от квазара до Земли, что дает возможность определять физическое и химическое состояние газовых облаков во всем диапазоне прошедшего времени и иметь данные об эволюции свойств межгалактического газа на протяжении многих миллиардов лет. Привязка отдельных скоплений газа к расстоянию до них в световых годах, или, что то же самое, ко времени в которое сквозь них прошло зарегистрированное излучение, возможна по величине красного смещения линий в их спектрах. Отсюда можно получить представление об эволюционных процессах во Вселенной.
Впервые измерены межгалактические магнитные поля.
Изображения верхнего ряда представляют реальный разброс гамма-квантов с энергиями в диапазоне 3–10 ГэВ, пришедших от 170 активных галактических ядер (a) и модель такого разброса, выполненную в предположении точечного характера источников этих фотонов (b). Нижний ряд содержит аналогичные изображения (c) и (d), относящиеся к энергиям 10–100 ГэВ. Хорошо видно, что модельные карты сильно отличаются от обсервационных, особенно в диапазоне более высоких энергий. Рис. из обсуждаемой статьи
Двое калифорнийских ученых сделали заявку на фундаментальное астрофизическое открытие. Физик-теоретик из Калтеха Синъитиро Андо (Shin’ichiro Ando) и профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Александр Кусенко (Alexander Kusenko) представили свои результаты в статье «Evidence for Gamma-Ray Halos Around Active Galactic Nuclei and the First Measurement of Intergalactic Magnetic Fields». Пока что она доступна только в архиве препринтов, а 10 октября появится в Astrophysical Journal Letters (V. 722. №1). Авторы этой работы полагают, что им впервые удалось обнаружить и измерить реликтовые магнитные поля, пронизывающие практически пустое межгалактическое пространство. Поиски таких полей ведутся с середины прошлого столетия.
Магнитные поля внутри галактик
Астрономам уже больше 60 лет известно о существовании магнитных полей в пространстве внутри галактик и галактических кластеров. Первые данные о магнитном поле нашей собственной Галактики — Млечного Пути — были получены еще в 1949 году. Вскоре ученые убедились в универсальности этого феномена и нашли для него реалистичные объяснения.
Межзвездная среда содержит не только нейтральные атомы и молекулы, но и заряженные частицы, прежде всего электроны и протоны, — иначе говоря, является плазмой. В этой плазме могут возбуждаться различные процессы, приводящие к возникновению магнитных полей. Например, внутри галактик (равно как и протогалактик) действуют динамические механизмы, порожденные температурными и гравитационными градиентами, которые создают тенденцию к пространственному разделению зарядов разных знаков.
В результате в плазме возникают неоднородные электрические поля, порождающие замкнутые токи, которые и генерируют внутригалактический магнетизм, хотя и весьма слабый. В дальнейшем эти зародышевые поля (seed fields) усиливаются различными гидродинамическими механизмами — например, ударными волнами.
Галактики располагают и другими способами генерации магнетизма, но их обсуждение завело бы нас слишком далеко. Во всяком случае, необходимо подчеркнуть, что благодаря высокой электропроводности космической плазмы уже возникшие магнитные поля практически никогда полностью не исчезают — это утверждение иногда называют золотым правилом астрофизики. Этому кругу вопросов посвящено великое множество публикаций. Сошлюсь, например, на подробный обзор Рейнера Бека и соавторов (Rainer Beck et al. Galactic Magnetism: Recent Development and Perspectives // Ann. Rev. Astron. Astropyth. 1996. V. 34. P. 155–206), который полностью доступен в интернете; более новые наблюдательные данные и теоретические модели детально и вполне доступно обсуждаются в монографии J. B. Zirker. The Magnetic Universe // The John Hopkins University Press, Baltimore, 2009 (книга приведена полностью).
Так что галактические магнитные поля реальны и неплохо изучены. Более того, анализ излучения древнейших радиоквазаров дает основания считать, что галактический или протогалактический магнетизм возник не позднее чем через 900 миллионов лет после Большого взрыва.
Вот, ради определенности, кое-какие численные данные. Вблизи Солнца средняя индукция магнитного поля равна 6 микрогауссам, а в центре нашей Галактики она достигает 20–40 микрогауссов. Такие же показатели типичны и для прочих спиральных галактик. Магнитные поля внутри их дисков в среднем составляют около 10 микрогауссов, а в галактических гало — вдвое меньше. В галактиках, богатых газом и потому активно рождающих молодые звезды, магнитные поля сильнее в 3–5 раз, а в их центральных зонах могут превышать и сотню микрогауссов. Внутри эллиптических галактик плотность заряженных частиц намного меньше среднего уровня для галактик со спиральными рукавами (который составляет миллион на кубический метр), поэтому их магнитные поля гораздо слабее, да и вообще о них мало что известно.
Поля с индукцией в микрогауссы и десятки микрогауссов пронизывают и скопления галактик — галактические кластеры. Но вот в космическом пространстве, разделяющем эти звездные ассоциации, магнетизм до сих пор давал о себе знать только неподалеку от их границ. Как считается, он существует благодаря «утечке» магнитных силовых линий внутригалактического происхождения (например, в результате выбросов намагниченных плазменных джетов в межгалактическую среду). В чрезвычайно разреженном пространстве вдали от всех и всяческих звездных популяций, где плотность заряженных частиц не составляет даже единиц на кубометр, магнетизм обнаружить никак не удавалось. Во всяком случае, из наблюдений и теории следует, что он не может превышать 10–12–10–9 Гс. Космологические модели магнетогенеза
Тем не менее проблема межгалактических магнитных полей (intergalactic magnetic fields, IGMF) никогда не считалась закрытой. Это и не удивительно. Регистрация таких полей привела бы к появлению новых способов объяснения магнетизма галактических масштабов. Дело в том, что даже чрезвычайно слабые (порядка 10–30 Гс) поля в принципе могли бы сыграть роль зародышей галактического магнетизма. Идея в том, что галактики могли захватить и усилить эти поля посредством конвективного механизма, аналогичного геомагнитному динамо, поддерживающему магнитное поле нашей планеты. Кроме того, происхождение межгалактических полей надо было бы объяснить, а это очень интересная задача (см., например, обзорную статью Lawrence M. Widrow. Origin of Galactic and Extragalactic Magnetic Fields // Rev. Mod. Phys. 2002. V. 74. P. 775–823).
Теоретики любят опережать наблюдения и эксперименты и потому успели придумать немало элегантных моделей, описывающих возникновение межгалактических магнитных полей. Так, 9 лет назад один из мировых авторитетов в этой области Стирлинг Колгейт вместе с двумя соавторами опубликовал работу в защиту гипотезы, согласно которой эти поля могут выбрасываться в глубокий космос из аккреционных дисков, окружающих черные дыры (Stirling A. Colgate, Hui Li, Vladimir Pariev. The Origin of the Magnetic Fields of the Universe: The Plasma Astrophysics of the Free Energy of the Universe // Physics of Plasmas. 2001. V. 8. Issue 5. P. 2425–2431). С другой стороны, существуют модели, которые исходят из предположения, что межгалактические поля возникли на заре существования нашей Вселенной, то есть являются реликтами тех или иных эпох, последовавших за Большим взрывом. Эти идеи освящены авторитетом великого Энрико Ферми, который впервые выступил с такой гипотезой еще в 1949 году.
Теории из этого семейства принято называть космологическими моделями магнетогенеза. Они датируют этот процесс разными фазами ранней эволюции Вселенной: эпохой инфляционного расширения (10–36–10–34 сек), эпохой прекращения рождения W- и Z-бозонов и автономизации слабого и электромагнитного взаимодействий (она закончилась, когда возраст Вселенной дошел до 10–12 сек), кварковой эпохой, которая привела к рождению адронов из кварк-глюонной плазмы (10–12–10-6 сек), и фотонной эпохой, которая завершилась через 380 000 лет после Большого взрыва, когда свободные электроны полностью объединились с ионами и в космическом пространстве вместо плазмы появились нейтральные атомы. Степень обоснованности этих моделей различна, но их обсуждение выходит за рамки настоящей заметки. Как были обнаружены межгалактические магнитные поля
К числу источников гамма-квантов тера-диапазона относятся и активные ядра галактик. Там локализованы сверхмассивные черные дыры, рождающие такие фотоны в своих аккреционных дисках. Эти ядра можно «разглядеть» с помощью гамма-телескопов. Генерация вторичных гамма-фотонов приводит к тому, что такие изображения несколько размываются, у них появляются ореолы — или, на профессиональном языке, гало. Структура этих гало отражает характер возникновения вторичных гамма-лучей, которое, в свою очередь, зависит от пространственного распределения электронов и позитронов, рожденных первичными гамма-квантами. Если в межгалактическом пространстве имеются магнитные поля, они влияют на это распределение, поскольку и те, и другие частицы закручиваются по спиралям вокруг магнитных силовых линий. Следовательно, эти поля в принципе можно обнаружить, анализируя гамма-изображения активных ядер далеких галактик. Их присутствие проявляется и в специфическом запаздывании вторичных гамма-квантов, которое тоже можно зарегистрировать с помощью космических гамма-телескопов.
Именно это и проделали Андо и Кусенко. Поскольку одно-единственное активное галактическое ядро посылает на Землю слишком мало фотонов, они сгруппировали данные по 170 таких ядер, собранные аппаратурой гамма-телескопа имени Ферми. Чтобы повысить надежность результатов, они проводили измерения в трех диапазонах гамма-излучения, охватывающих энергии 1–3 ГэВ, 3–10 ГэВ и 10–100 ГэВ.
И вот что получилось. Отклонения от ожидаемого распределения гамма-излучения точечных источников (то есть при отсутствии гало) были выявлены на доверительном уровне 99,95%. Поэтому Андо и Кусенко полагают, что выполненный анализ сгруппированных изображений активных галактических ядер и в самом деле позволил обнаружить физический эффект, вызванный наличием межгалактических магнитных полей. Их величину они оценивают приблизительно в 10–15 Гс. Легко видеть, что этот результат хорошо согласуется с нижней границей индукции таких полей, вычисленной Нероновым и Вовком.
Александр Кусенко в телефонной беседе поделился кое-какими деталями, не вошедшими в статью. Он рассказал, что, по предварительным данным, межгалактические магнитные поля заметно меняют свое направление уже на довольно малых — естественно, в космологических масштабах — расстояниях (если воспользоваться технической терминологией, имеют небольшую длину когерентности). Если этот результат подтвердится, можно будет с полной уверенностью сказать, что мы имеем дело с полями реликтового происхождения. Тогда откроется возможность выбирать между различными моделями реликтового магнетогенеза, поскольку они делают весьма неодинаковые прогнозы относительно современной величины межгалактического магнетизма.
Space (США): что происходит в межгалактическом пространстве?
Огромные пространства между галактиками простираются на миллионы световых лет и могут казаться пустыми. Однако на самом деле они содержат больше материи, чем сами галактики.
«Если вы возьмите один кубический метр, то в нем будет менее одного атома, — сказал в беседе с корреспондентом веб-сайта „Лайв сайенс» (Live Science) Майкл Шалл (Michael Shull), астроном из Колорадского университета в Боулдере. — Но если добавить к этому все пространство, то тогда там уже будет от 50% до 80% от общего количества обычной материи».
Но откуда взялась вся эта материя? И что с ней может произойти?
Как правило, материя между галактиками, — часто ее называют межгалактической средой или сокращенно МГС (IGM), — представляет собой горячий и ионизированный водород (водород, утративший свои электроны) с некоторым количеством таких более тяжелых элементов, как углерод, кислород и кремний. Хотя все эти элементы, как правило, светятся не так ярко и остаются невидимыми, ученые знают о том, что они там находятся по результатам анализа того следа, который они оставляют в лучах проходящего света.
Контекст
Живое существо размером с галактику?
Air&Space: как взвесить галактику
Поскольку наиболее удаленные регионы межгалактической среды будут вечно изолированы от соседних галактик в процессе расширения вселенной, то более «пригородные» регионы играют важную роль в галактической жизни. Под воздействием галактического гравитационного притяжения межгалактическая среда медленно втягивается в галактику со скоростью одной солнечной массы (равняется массе одного солнца) в год, и это примерно соответствует скорости формирования звезд на диске Млечного Пути.
«Межгалактическая среда — это газ, который питает звездные формации в галактиках, — сказал Шалл. — Если газ, притягиваемый гравитацией, еще не полностью истек, то звездные формации будут медленно останавливаться до тех пор, пока этот газ (в галактике) не закончится».
Для изучения межгалактической среды астрономы также начали обращать внимание на частые всплески радиоизлучения, приходящие из удаленных галактик. Используя обе эти техники, а также результаты изучение квазаров, астрономы продолжают анализировать характеристики межгалактической среды для определения ее меняющейся температуры и плотности.
«С помощью измерения температуры газа мы можем получить ключ к разгадке его происхождения, — сказал Шалл. — Таким образом нам становится понятно, как он нагревался и как он туда попал».
Хотя газ широко распространен между галактиками, там есть и другие элементы, и астрономы обнаружили там звезды. Иногда их называют межгалактическими или дикими (rogue) звездами, и, судя по всему, они были оторваны от своих родных галактик черными дырами, или оторвались в результате столкновения с другими галактиками.
В действительности плавающие в пустотах звезды могут быть достаточно распространенным явлением. В 2012 году в исследовании, опубликованном в журнале «Астрофизикал джорнэл» (Astrophysical Journal), были перечислены более 650 таких звезд на краю Млечного Пути, а, по некоторым оценкам, там могут быть триллионы подобных звезд.
«Наши результаты, полученные в рамках Эксперимента с космическим инфракрасным фоном (Cosmic Infrared Background Experiment), показывают, что почти половина звездного света в качестве источника имеют звезды, расположенные за пределами галактик, — отметил в беседе с корреспондентом веб-сайта „Лайв сайенс» Майкл Земков (Michael Zemcov) из Рочестерского технологического института (Rochester Institute of Technology), который в 2014 году опубликовал результаты своих исследований в журнале „Сайенс» (Science). — Однако остается открытым вопрос о том, сколько там всего межгалактических звезд».
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.
