Астрономы считают, что звезды образуются внутри коллапсирующих облаков холодного газообразного водорода. Эти облака очень трудно увидеть, потому что атмосфера Земли поглощает большую часть света, который она излучает; однако, другой газ, угарный газ, также присутствует всегда, и его легко можно наблюдать с Земли. Астрономы из Института радиоастрономии им. Макса Планка разработали подробную карту этих областей звездообразования в галактике Андромеды.
Как образуются звезды? Это один из самых важных вопросов в астрономии. Мы знаем, что звездообразование происходит в облаках холодного газа с температурой ниже -220 C (50 K). Только в этих областях плотного газа гравитация может привести к коллапсу и, следовательно, к образованию звезд. Облака холодного газа в галактиках состоят преимущественно из молекулярного водорода H2 (два атома водорода связаны как одна молекула). Эта молекула излучает слабую спектральную линию в инфракрасной полосе спектра, которая не может наблюдаться наземными телескопами, потому что атмосфера поглощает это излучение. Поэтому астрономы изучают другую молекулу, которая всегда находится в окрестности Н2, а именно монооксид углерода, СО. Интенсивную спектральную линию СО на длине волны 2,6 мм можно наблюдать с помощью радиотелескопов, которые расположены в атмосферно благоприятных местах: сухие горы, в пустыне или на Южном полюсе. В космическом пространстве угарный газ является индикатором условий, благоприятствующих образованию новых звезд и планет.
В нашей галактике, Млечном Пути, исследования распределения угарного газа ведутся в течение длительного времени. Астрономы находят достаточно холодного газа для образования звезд на протяжении миллионов лет. Но многие вопросы остаются без ответа; например, как это сырье молекулярного газа появляется в первую очередь. Поставляется ли он на ранней стадии разработки Галактики или может быть сформирован из более теплого атомного газа? Может ли молекулярное облако спонтанно разрушаться или ему нужно действие извне, чтобы оно стало нестабильным и разрушилось? Поскольку Солнце находится в диске Млечного Пути, очень сложно получить представление о процессах, происходящих в нашей Галактике. Помог бы и взгляд «извне», а также взгляды на наших космических соседей.
Галактика Андромеды, также известная под каталожным номером M31, представляет собой систему из миллиардов звезд, похожих на наш Млечный путь. Расстояние M31 составляет «всего» 2,5 миллиона световых лет, что делает его ближайшей спиральной галактикой. Галактика простирается примерно на 5 градусов по небу и может быть видна невооруженным глазом как крошечное рассеянное облако. Исследования этого космического соседа могут помочь понять процессы в нашей собственной Галактике. К сожалению, мы видим диск газа и звезд в M31 почти на ребре (см. Рис. 1, справа).
В 1995 году группа радиоастрономов в Институте радиоастрономии Миллимрике (IRAM) в Гренобле (Мишель Гюлин, Ханс Унгерехтс, Роберт Лукас) и в Институте радиоастрономии им. Макса Планка (MPIfR) в Бонне (Кристоф Нитен, Николаус Нейнингер, Элли Берхуйсен, Райнер Бек, Ричард Вилебински) начали амбициозный проект картирования всей галактики Андромеды в спектральной линии монооксида углерода. Инструментом, использованным для этого проекта, был 30-метровый радиотелескоп IRAM, который расположен на Пико Велета (2970 метров) недалеко от Гранады в Испании. При угловом разрешении 23 угловых секунды (при частоте наблюдения 115 ГГц = длина волны 2,6 мм) необходимо было измерить 1,5 миллиона отдельных положений. Для ускорения процесса наблюдения был использован новый метод измерения. Вместо того, чтобы наблюдать в каждой позиции, радиотелескоп двигался полосами по всей галактике с непрерывной записью данных. Этот метод наблюдения, называемый «на лету», был специально разработан для проекта M31; в настоящее время это стандартная практика не только на радиотелескопе Pico Veleta, но и на других телескопах, наблюдающих на миллиметровых длинах волн.
Для каждой наблюдаемой позиции в M31 было зарегистрировано не только одно значение интенсивности CO, но одновременно 256 значений по всему спектру с шириной полосы 0,2% от центральной длины волны 2,6 мм. Таким образом, полный набор данных наблюдений состоит из примерно 400 миллионов чисел! Точное положение линии CO в спектре дает нам информацию о скорости холодного газа. Если газ движется к нам, то линия смещается на более короткие волны. Когда источник удаляется от нас, мы видим сдвиг в сторону более длинных волн. Это тот же эффект (эффект Доплера), который мы можем услышать, когда сирена скорой помощи движется к нам или от нас. В астрономии эффект Доплера позволяет изучать движения газовых облаков; даже облака с разными скоростями, видимые на одной и той же линии видимости, можно различить. Если спектральная линия широкая, то облако может расширяться, или же оно состоит из нескольких облаков с разными скоростями.
Наблюдения были закончены в 2001 году. При более чем 800 часах работы телескопа это один из крупнейших проектов наблюдений, выполненных с помощью телескопов IRAM или MPIfR. После обширной обработки и анализа огромного количества данных только что было опубликовано полное распределение холодного газа в M31 (см. Рис. 1, слева).
Холодный газ в M31 сконцентрирован в очень филигранных структурах в спиральных рукавах. Линия CO, кажется, хорошо подходит для отслеживания структуры спирального рукава. Отличительные спиральные рукава видны на расстоянии от 25 000 до 40 000 световых лет от центра Андромеды, где происходит большая часть звездообразования. В центральных областях, где находится большая часть более старых звезд, рукава СО гораздо слабее. В результате высокого наклона M31 относительно линии обзора (около 78 градусов) спиральные рукава образуют большое эллиптическое кольцо с большой осью 2 градуса. На самом деле, долгое время Андромеда была по ошибке принята за «кольцевую» галактику.
Карта скоростей газа (см. Рис. 2) напоминает снимок гигантского пожарного колеса. С одной стороны (на юге, слева) газ СО движется со скоростью около 500 км / с к нам (синим цветом), но с другой стороны (на севере, справа) со скоростью «всего» 100 км / с (красным). Поскольку галактика Андромеды движется к нам со скоростью около 300 км / с, она будет проходить через Млечный путь примерно через 2 миллиарда лет. Кроме того, M31 вращается со скоростью около 200 км / с вокруг своей центральной оси. Поскольку внутренние облака CO движутся по более короткому пути, чем внешние облака, они могут обогнать друг друга. Это приводит к спиральной структуре.
Плотность холодного молекулярного газа в спиральных рукавах намного больше, чем в областях между плечами, тогда как атомный газ распределен более равномерно. Это говорит о том, что молекулярный газ образуется из атомарного газа в спиральных рукавах, особенно в узком кольце звездообразования. Происхождение этого кольца до сих пор неясно. Возможно, что газ в этом кольце - просто материал, еще не использованный для звезд. Или, возможно, очень регулярное магнитное поле в M31 запускает формирование звезд в спиральных рукавах. Наблюдения на телескопе Эффельсберга показали, что магнитное поле близко следует за спиральными рукавами, видимыми в СО.
Кольцо звездообразования («зона рождения») в нашем Млечном Пути, простирающееся от 10 000 до 20 000 световых лет от центра, меньше, чем в M31. Несмотря на это, он содержит почти в 10 раз больше молекулярного газа (см. Таблицу в приложении). Поскольку все галактики примерно одного возраста, Млечный путь был более экономичным благодаря своему сырью. С другой стороны, многие старые звезды возле центра M31 указывают на то, что в прошлом скорость звездообразования была намного выше, чем в настоящее время: здесь большая часть газа уже была переработана. Новая СО карта показывает нам, что Андромеда была очень эффективной в формировании звезд в прошлом. Через несколько миллиардов лет наш Млечный Путь может выглядеть похожим на Андромеду.
Первоначальный источник: пресс-релиз Института Макса Планка
