Звёздная пыль и галактические рукава: как скопления пыли и газа помогают составить карту Млечного Пути

Астрономы измерили расстояния до облаков межзвёздной пыли и газа, находящихся в ближайшем к нам внешнем рукаве Млечного Пути — рукаве Персея. При определении расстояний использовали эффект «покраснения» света от далёких звёзд, проходящего через пылевые скопления. Оказалось, что многие из этих облаков находятся гораздо дальше или ближе, чем было принято считать, а представление о цельной структуре галактического рукава, возможно, является оптической иллюзией из-за их положения на небесной сфере, подобно тому как не связанные между собой звёзды образуют рисунки созвездий или наше восприятие достраивает воображаемую сеть марсианских каналов.

Млечный Путь относят к галактикам спирального типа. Звёздная масса в их центральной части распределена в основном в центральном балдже, а на периферии — в широком и тонком галактическом диске. Характерными структурами в таких галактиках являются спиральные рукава — области относительного сгущения звёздной материи. Эти структуры также являются областями интенсивного звездообразования — скопления молодых и горячих звёзд, как правило, связаны с ними. Рукава можно видеть в других галактиках того же типа, которые можно разглядывать со стороны.

В самом Млечном Пути такие рукава так отчётливо не видны, потому что нашу Галактику мы можем видеть только изнутри. Их структура уточняется по косвенным данным — информации о неравномерном распределении звёзд и межзвёздных облаков в разных областях Галактики. Но обычно предполагается, что Галактика по аналогии с похожими объектами имеет симметричную структуру из нескольких чётких рукавов, как её и изображают в большинстве учебников. Более точные измерения расстояний до различных объектов Млечного Пути заставляют пересмотреть такое идеализированное представление. Как минимум ближние окрестности Солнца, по-видимому, не вписываются в концепцию «слишком гладкого» рукава.

Ближайший к Солнечной системе рукав Млечного Пути называется рукавом Персея — на небесной сфере эта структура как раз проходит на фоне соответствующего созвездия. Астрономы создали его подробную карту, исследуя положения естественных радиоисточников, так называемых мазеров, а также пылевых облаков. На вставках к обзорной карте Галактики на рисунке 1 они показаны соответственно красными и голубыми точками. Новые измерения показывают, что некоторые из этих облаков пыли находятся сильно ближе или, наоборот, дальше от Солнца, чем было принято считать. Как следствие, структура, которую называют «рукавом Персея», оказывается гораздо менее выраженной и гладкой. Возможно, её упорядоченность преувеличена, или она возникла как иллюзия восприятия — примерно так, как раньше астрономы неосознанно пытались найти привычные закономерности в структурах на поверхности Марса, «открыв» его каналы.

При составлении карты Галактики основная проблема — определение расстояний до какой-либо звезды, звёздного скопления или газопылевого облака. Золотым стандартом здесь является определение расстояний до специфических источников микроволнового излучения под названием мазеры при помощи метода параллакса. Часто их ассоциируют с межзвёздными молекулярными облаками. Многие из этих объектов находятся в массивных областях с интенсивным звёздообразованием. Но звёздные скопления встречаются не везде, и такой метод оставляет множество тёмных пятен на карте Галактики. Кроме того, метод параллакса хорошо работает только на достаточно близких расстояниях: даже точности космических телескопов на сегодня хватает до расстояний порядка тысячи световых лет. Определение расстояний таким способом состоит в замерах положения звезды на небесной сфере в некоторый момент времени и через полгода, когда Земля сместится по орбите на 300 миллионов километров (диаметр орбиты вокруг Солнца). По видимому смещению звезды можно определить, как далеко она находится, так же, как мы интуитивно определяем расстояние до объекта из его смещения при рассматривании правым и левым глазом (принцип стереозрения). Подробнее про параллакс в астрономии можно прочитать, например, в первой вставке к статье по ссылке.

Астрономы решили восполнить пробелы в «топографической карте» Галактики, дополнив данные по мазерам информацией, которую можно получить исследованием положения и движения газовых облаков. В идеальном случае данные о скорости перемещения газового облака позволяют определить расстояние до него. Если облако вовлечено только в общее движение массы вещества вокруг центра Галактики, то его скорость даёт представление о том, где по отношению к галактическому центру оно находится. Солнце также участвует в этом движении, совершая полный оборот вокруг цента Галактики за 220 миллионов лет (его расстояние до центра Галактики — примерно 25 тысяч световых лет). Аналогично известны скорости вращения вещества, находящегося на других расстояниях от центра. Поэтому, замерив скорость смещения такого «идеального» облака, можно определить, на каком расстоянии от центра Галактики оно находится. Но в реальности движение пылевого облака может определяться как общим вращением Галактики, так и локальными факторами, например, довольно случайными перемещениями в рамках местной области звёздообразования.

Чтобы оценить вклад таких нерегулярных движений, портящих идеальную картину определения межзвёздных расстояний, астрономы исследовали не только газ, но и скопления пыли. Но скопления газа и пыли в галактике тесно связаны (поэтому и говорят о газопылевых облаках), так что если есть способ картировать что-то одно из этого, мы автоматически получаем с достаточной точностью и распределение второго компонента.

Трёхмерные карты звёздной пыли можно составить, исследуя цвет разных скоплений звёзд. Чем больше пыли находится на пути до скопления, тем (в среднем) краснее оно выглядит по сравнению со своим естественным светом. В справедливости этого принципа можно убедиться и в быту: например, на дороге в условиях тумана красный сигнальный цвет светофора виден значительно дальше зелёного — это одна из причин, почему именно красный цвет в своё время был выбран для обозначения опасности. Новая статья коллектива американских астрономов по результатам использования этого метода исследования газопылевых облаков вышла в начале 2022 года в The Astrophysical Journal.

Таким образом исследовали внешнюю окраину Млечного Пути — область пространства вблизи предполагаемого рукава Персея, который находится дальше от центра Галактики по отношению к Солнцу. Расстояния, определённые по относительному «покраснению» звёздного вещества, сравнили с расстояниями, полученными традиционным методом по скоростям движения газа (как было описано выше). И оказалось, что многие из облачных структур, якобы составляющих «рукав Персея», на самом деле не находятся на сопоставимых расстояниях, чтобы можно было говорить о реальной структуре рукава. Они могут быть расположены сильно ближе или сильно дальше с разбросом около 10 тысяч световых лет. Получается, что видимая структура рукава Персея во многом обусловлена только удачным положением разных скоплений по отношению к углу зрения, а «идеальную спираль» рукава мы достраиваем в своём воображении. Примерно так же звёзды на небе могут складываться в узнаваемый астеризм (например, ковш Большой Медведицы), но при этом они не связаны в скоплении и находятся на значительных расстояниях друг от друга — но мы видим фигуры как проекцию расположения звёзд на небесную сферу.

Этот результат относится к ближайшим внешним окрестностям Млечного Пути (которые и подразумеваются под рукавом Персея). В дальнейшем такую же работу астрономы планируют и для уточнения его структуры внутри галактической орбиты Солнца, то есть в границах более известных (и заметных) рукавов. Дальнейшая работа будет включать составление трёхмерных карт пылевых скоплений Галактики с использованием данных инфракрасного диапазона по 1—2 миллиардам звёзд. Если эти данные получится уверенно сопоставить с независимыми результатами по измерению скоростей газовых скоплений, мы вскоре будем располагать более крупномасштабными картами и внутренних рукавов Галактики.

Раньше трёхмерные карты Галактики пытались составлять исходя из данных в видимом диапазоне. Обычно для этого рассматривают отдельные классы объектов, до которых можно легко определить расстояние, например, звёзды определённого типа (см. более подробно здесь). Глубокую инфракрасную область для этой цели ещё не использовали. Как оказывается, комбинирование видимых и инфракрасных данных «разрывает» слишком гладкие видимые структуры на небе и переводит их в статус иллюзии восприятия наряду с марсианскими каналами и рисунками созвездий.

Больше информации о структуре Млечного Пути ожидают от двух будущих космических телескопов: Телескопа Нэнси Роман и обсерватории Веры Рубин. NGRST (Nancy Grace Roman Space Telescope) сможет составить обзор плоскости Галактики на протяжении (суммарно) нескольких сот часов наблюдений — если это направление будет определено в числе его научных задач. Он будет работать в инфракрасном диапазоне и сможет таким образом «видеть» объекты сквозь ближние скопления пыли. Подробнее об этом телескопе можно прочитать в посвящённой ему октябрьской заметке на нашем сайте. Обсерватория имени Веры Рубин, напротив, будет использовать видимый диапазон. Мультиволновые данные в оптическом диапазоне в сочетании с инфракрасными данными телескопа Нэнси Роман позволят наконец получить «топографическую» (а не только «общеобзорную») карту рукавов Млечного Пути. И тогда, возможно, наши слишком идеальные представления о его красивых и симметричных рукавах придётся пересмотреть.