Крупные спиральные галактики вроде Млечного Пути выросли до таких размеров и дожили до наших дней не просто за счет слияний. Астрономы рассказали, в чем причина того, что диск галактик восстанавливается после сверхстолкновений.

За последние два десятка лет к ученым пришла уверенность, что образование галактик – этих светящихся «звездных островов» в бескрайнем темном космосе – происходило постепенно, иерархически. Основную роль в процессе играли сгустки (другое название — «гало») темной материи, которые собирали достаточно газа из окружающего пространства, позволяя ему превращаться в звезды. Маленькие сгустки, похожие на нынешние карликовые галактики, слипались в образования покрупнее, те — в еще более крупные, и в итоге образовались гигантские звездные системы, которые окружают нас сегодня.

Кстати, наша собственная Галактика, Млечный Путь тоже относится к числу гигантов – оспорить наше первенство в Местной группе способна лишь Туманность Андромеды. Что крупнее, астрономы окончательно решить никак не могут, но это и не так важно – через несколько миллиардов лет обе галактики сольются в единое целое, и вопрос о первенстве потеряет всякий смысл.

Проблема выживания спиралей

Тем не менее, у этой красивой теории до недавних пор была одна серьезная проблема, и связана она как раз со спиральными, дисковыми галактиками, к числу которых относятся и Млечный Путь с Туманностью Андромеды. Теория предсказывает, что при многократных взаимодействиях, особенно когда сливаются сравнимые по размеру галактики, диск должен «размываться». Конкретно Млечного Пути это не касается – у него, похоже, была спокойная история, а поглощал (и, кстати, продолжает поглощать) он лишь относительно небольших соседей. Однако есть множество других гигантских спиралей, звезды которых явно указывают – это результат почти «равновесных» слияний.

Получающаяся в таких случаях звездная система должна все более и более напоминать галактики другого типа – эллиптические, в которых не заметно ни диска, ни спиральной структуры. В конце концов, и вправду, если сольются две спирали, вращающиеся в разных плоскостях, как должен крутиться финальный объект? А ведь вращение галактики как единого целого просто необходимо для появления диска. В эллиптических системах звезды крутятся по своим орбитам, как им заблагорассудится, но единого вращения нет – и нет  никаких дисков.

В численных экспериментах спиральные галактики образуются – но, в основном, небольшие и в относительно давнем прошлом, когда нашей Вселенной было несколько миллиардов лет от роду. А со временем спиралей становится меньше, и спиральный вид сохраняет лишь мелочь, избежавшая крупных слияний. Как же появились крупные дисковые системы?

Барионные сложности

Ученые давно подозревают, что ключом к этой загадке является грамотный учет физических явлений в газе при слиянии галактик. Однако учитывать физику обычного, барионного вещества очень сложно. Это с темной материей, которая взаимодействует лишь через силу тяготения, проводить расчеты просто. А как быть с давлением, нагревом, ионизацией, образованием и гибелью звезд и вечным проклятием для всех моделей – магнитными полями?

Учитывать все это приходится лишь приблизительно, и до сих пор способности компьютеров были недостаточными, чтобы разобраться в таких сложных процессах. Теоретики закрывали на это глаза, надеясь, что со временем, по законам диалектики, количественное усложнение компьютерных моделей перейдет в качественный скачок понимания. Однако физика барионов наверняка являлась им в кошмарах по ночам.

Расчеты сошлись с наблюдениями

Теперь их сны должны стать чуть спокойнее. Астрономы из США, Швейцарии и Канады под предводительством Фабио Говернато из Университета штата Вашингтон (США) построили симпатичную модель образования крупной спиральной галактики in silico. Работа ученых принята к публикации в престижном британском журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

За стартовую точку отсчета ученые взяли время, минувшее 6,8 миллиарда лет назад. При помощи набора небольших галактик в индивидуальных темных гало и окружающего их газа исследователи показали, как миллиарды лет и десятки слияний спустя во Вселенной вырастают гигантские спирали. И слияния им в этом не мешают. Как рассказал Фабио Говернато в интервью, для вычислений потребовалось около 11 лет процессорного времени – примерно месяц работы на 200 процессорах американской федеральной сети Teragrid, предназначенной для научных расчетов.

Более того, ученые на каждом этапе расчетов вычисляли, как выглядит тот набор галактик, который у них получался, с точки зрения земного астронома. Сравнение показывает, что основные наблюдаемые характеристики популяции – светимость, размер, цвет и форма галактик – менялись примерно так, как показывают наблюдения глубокого древнего космоса.

Холодный газ и жаркие сверхновые

Работа в целом подтвердила закон диалектики – качественное понимание действительно пришло из все увеличивавшегося числа процессов, которые учитывались при расчете. Однако ученым все-таки удалось вычленить ключевые ингредиенты успеха.

Очень важным оказалось наличие большого количества газа вокруг галактики. Всякий раз, когда очередное крупное слияние нарушало стройность дисковой конструкции, холодные потоки газа быстро восстанавливали ее. По сути, внешний газ заново «отращивал» диск; его ориентацию определял орбитальный момент вращения вещества в окрестности растущего гиганта. Холодные потоки газа – «горячая» тема в современной астрономии; их учет оказался ключевым и в данном случае.

Не менее важным было и наличие большого количества газа в дисках мелких галактик, которым суждено было раствориться в большой системе. Главное, чтобы этот газ не успевал быстро превратиться в звезды. Слияния обычно провоцируют активное рождение новых звезд, и если бы не какой-то механизм обратной связи, весь новый газ быстро превратился бы в звезды, а последующие слияния размазали бы звездный диск в сплюснутую сфероидальную компоненту.

Как предполагают ученые, этот механизм обратной связи – взрывы сверхновых. В зависимости от параметров слияния ударные волны, которые разбегаются от короткоживущих массивных звезд после их гибели, могут как помогать рождению новых звезд, сжимая газ, так и мешать ему, излишне газ разогревая. По словам автора работы, при росте дисковых галактик имеется перевес в пользу последнего механизма.

С небес на землю. И обратно

По признанию Говернато, до полномасштабного понимания процесса роста крупных галактик еще далеко. Чтобы разрешить в модели подробную структуру формирующихся систем – спиральные ветви, их перемычку, центральное «вздутие» (балдж) – пока не хватает вычислительных ресурсов. «Мы даже не упоминаем о спиралях, потому что симуляции пока не в силах подробно описать эволюцию спиральных рукавов», — пояснил ученый в беседе.

Тем не менее, благодаря подобным вычислениям многие неизвестные пока параметры роста галактик превращаются в наблюдаемые величины или ограничения на них. Астрономы надеются, что сравнивая наблюдения и результаты компьютерного моделирования, они рано или поздно выяснят, как появились звездные системы, подобные нашей.