Эти колонны газа — один из самых узнаваемых образов космоса. А ведь среди туманностей можно встретить и не такие впечатляющие формы. Но хотя сами гигантские образования давно уничтожены, астрономов продолжает волновать вопрос — как они возникли? Ответ на него имеет прямое отношение к процессам рождения звёзд, а значит, опосредованно и к нам с вами.

Казалось бы, что может быть скучнее большущих скоплений холодного газа (преимущественно водорода) и пыли? Разве что необычная форма. Таковы Столпы Творения. Они мало пропускают видимый свет и потому контрастно выделяются на фоне горячего плазменного пузыря, расположенного позади. Протянулись эти колонны материи на несколько световых лет.

Можно предположить, что такая специфическая форма этих образований — шутка Природы, то есть совершенно случайная вещь. Но это не так. Учёные выяснили, что рождение Столпов — процесс очень даже закономерный. Тонкие детали этого величественного «столпотворения» начали раскрываться перед исследователями только сейчас, а потому нацелим наши звездолёты на созвездие Змеи, где на расстоянии 7 тысяч световых лет от нас и происходят описываемые события.

Столпы Творения на кадре с телескопа Hubble, сделанном в 1995 году. Известный ресурс Space.com в своё время включил его в первую десятку самых-самых видов Вселенной из отснятых «Хабблом» (фото NASA, Jeff Hester, Paul Scowen/ Arizona State University).

Как бы ни поражали Столпы Творения воображение зрителей, они являются лишь малой частью туманности Орла (Eagle Nebula), раскинувшейся примерно на 70 световых лет. Туманность Орла — это не только собственно туманность (эмиссионная), но и молодое рассеянное звёздное скопление, члены которого были рождены тут.

Процессы звездообразования идут в туманности и сейчас (потому собственно — «Столпы Творения»). И знаменитые на весь мир «колонны» газа — только одно из потенциальных мест, где ещё могут появляться новые звёзды (вернее, где они, вероятно, появлялись до недавнего времени, но об этом — ниже). Однако пик рождения светил в туманности Орла в целом прошёл уже миллион лет назад. И первые молодые и горячие солнца своим излучением успели разогнать газ в центре.

Там возникла типичная область H II, регион ионизированного водорода. А вот края обширного холодного облака, давшего начало всему этому великолепию, ныне под действием ударных волн в газе отступают наружу. И отступают очень неравномерно. Столпы — одна из таких ярких неравномерностей.

Как она была рождена? До сих пор астрофизики лишь высказывали чисто умозрительные соображения. Но вот Эндрю Лим (Andrew Lim) и его коллеги из Дублинского института передовых исследований (Dublin Institute for Advanced Studies) провели масштабное численное моделирование, приоткрывшее завесу тайны Столпов.

Туманность Орла. Столпы Творения тут можно заметить почти точно в центре. А справа, слева, сверху – другие примеры причудливых образований из холодного газа, разбегающихся от центра туманности прочь (фото T.A.Rector & B.A.Wolpa, NOAO, AURA, NSF).

Для начала разберём, почему газ вообще отступает от молодых голубовато-белых звёзд. Причина в мощном потоке ультрафиолета, который эти звёзды обрушивают на свою родную туманность изнутри. Ультрафиолет этот не просто создаёт световое давление (что очевидно), он ещё ионизирует и «испаряет» немалую толику водорода с освещённой стороны облака (явление фотоионизации). Эти частицы с высокой скоростью покидают его и создают реактивную силу (в соответствии с третьим законом Ньютона), которая отбрасывает оставшийся газ.

Локальные неустойчивости в газовом облаке приводят к тому, что граница расширяющейся туманности становится очень извилистой. Но тут, впрочем, до появления именно Столпов — далеко.

Лим и его товарищи решили выяснить, что будет, если в исходном газовом облаке имелись некие неравномерности — небольшие участки большей, чем в среднем, плотности. Поскольку такой «комок» имеет большую массу, реактивная сила от фотоионизации будет сдвигать его с места медленнее, чем «сдувать» окружающий газ. Пока всё логично. Но тут возникает вопрос: а что заставит этот сгусток вытягиваться в длинную колонну? Компьютер показал, что в одиночку такое скопление не может сформировать Столп за сколь-нибудь приемлемое время.

Оказалось, «процесс столпотворения» начинается, когда несколько таких газовых шариков оказываются неподалёку друг от друга, причём формируют замысловатую комбинацию, в которой одни скопления газа и пыли частично экранируют от светового потока ближней звезды другие такие же скопления.

В частично освещённом сгустке фотоионизация порождает асимметричные силы, стремящиеся подтолкнуть газ в сторону тени. Увеличивающаяся плотность зарождающегося столба формирует ещё более плотную тень, в которую всё тот же свет начинает заталкивать всё больше и больше материи со стороны. И происходит это на фоне всё ускоряющегося «вымывания» водорода (и других веществ) из участков, попадающих под прямые удары ультрафиолета.

Сначала исследователи выполнили двумерную симуляцию роста «столпов». Чёрный цвет означает низкую концентрацию газа, зелёный – среднюю, жёлтый и красный – повышенную и высокую. Звезда льёт свой ультрафиолетовый поток слева. Изначально имеется 10 сравнительно небольших скоплений материала (глобул), которые служат зёрнами для формирования «колонн». По краям рисунков – шкалы в парсеках. Между первой и последней картинкой – 100 тысяч лет (иллюстрация A. Lim/J. Mackey/DIAS).

В такой манере Столпы Творения не столько сами «вырастают из», сколько оказываются «вырезанными» из первоначальной массы газа, словно одиноко стоящие скалы-останцы под действием ветра и воды.

Чтобы найти заветную комбинацию, порождающую Столпы, авторы новой работы заставили компьютер перебрать множество случайных вариантов в числе и расположении газовых сгустков.

Так они выяснили, что как только в том или ином месте туманности складывается благоприятная ситуация — то есть несколько «узлов» водорода оказываются на правильном расстоянии друг от друга при наличии обширного пространства менее плотного газа вокруг, куда хорошо проникало бы излучение, — колонны начинают формироваться неизбежно. При этом на их создание уходит около 150 тысяч лет, а прожить они могут порядка 100 тысяч лет, «говорит» компьютерная модель.

И цифры эти хорошо согласуются с тем, что астрономы знают про туманность Орла и её Столпы Творения.

Вверху: трёхмерная модель формирования Столпов. Показаны кадры, «отснятые» через 100, 200 и 300 тысяч лет после начала процесса (на данных трёх рисунках свет звезды «давит» сверху). Внизу – три разреза той же объёмной симуляции в разных плоскостях. Цвета, как и раньше, показывают плотность газа. Причём синий цвет в данном случае – ионизированный водород, покидающий освещённый слой туманности, тот самый, что отбрасывает остальной газ прочь. Последнее видно по стрелкам, длина которых отражает скорость движения частиц (иллюстрация A. Lim/J. Mackey/DIAS).

Любопытно, что для начала учёные проверили свои идеи на двухмерной модели газа. А когда в ней стали вырастать величественные тёмные колонны — составили и трёхмерную модель процесса. Она подтвердила все выводы более простой версии программы. Одновременно стали видны некоторые секреты эволюции Столпов. Так, стало отчётливо ясно, что один плотный «ком» материала ничего не может без содействия пары соседних меньшего размера, которые на его основе ваяют будущий гигантский Столп.

В таком Столпе плотность газа может постепенно повыситься настолько, что там возникнут очаги формирования звёзд. Потому в последующих компьютерных моделях авторы работы намерены ввести и магнитные поля, и гравитацию. Пока виртуальные Столпы не слишком плотные, и тот и другой фактор влияют на их рост слабо, — объясняют учёные. Поэтому в первых численных экспериментах достаточно было учитывать только фотоионизацию и газовую динамику.

И всё равно приятно, что даже упрощённые модели дали результаты, сходные с тем, что мы видим на небе, — по плотности и размерам Столпы из компьютера были похожи на Столпы Творения в туманности Орла. Значит, Лим и его коллеги находятся на верном пути.

Ещё одно вытянутое газовое облако в туманности Орла. На снимке под заголовком оно и соседние с ним Столпы Творения отмечены зелёными рамками (фото Hubble Heritage Team, (STScI/AURA), ESA, NASA).

Увы, самим Столпам (оригинальным) уже не светит возможность продолжить уплотнение и создание звёзд внутри. Как недавно установили астрономы, примерно шесть тысяч лет назад (в реальном времени) Столпы Творения были уничтожены близким взрывом сверхновой, который смёл все эти газовые нагромождения. Но поскольку расстояние от нас до места событий — 7 тысяч световых лет, мы ещё тысячелетие сможем наблюдать облик Столпов в нетронутом виде.
Однако ничто не мешает звёздам формироваться в других похожих областях.

В целом же выявленный процесс двояко влияет на способность больших и плотных туманностей порождать звёзды. С одной стороны, в Столпах и других сходных структурах идёт уплотнение водорода и ряда других элементов, способное привести к коллапсу части облака и возникновению звезды или нескольких звёзд. С другой, те звёзды, которые родились в той же самой туманности раньше, интенсивно разгоняют оставшуюся материю прочь, так что в конце концов плотные завесы газа исчезают бесследно, а на месте остаётся лишь «чистое» звёздное скопление типа Плеяд.

Снимок Столпов Творения, комбинирующий видимый спектр с рентгеновским диапазоном. Множество цветных кружков, разбросанных по полю зрения, – это рентгеновские источники, а по сути – крупные молодые звёзды. В Столпах, как видно, таких новорождённых звёзд почти нет. Самое яркое исключение — звезда, видимая как голубая точка, «вмонтированная» в конец крупнейшего Столпа. Эта звезда весит 4-5 Солнц, – сообщает NASA.

А ещё, рассуждают астрономы, те протозвёзды, что там (в Столпах) всё же есть, – недостаточно горячи, чтобы давать сильный поток рентгена. Большая же часть Столпов – пуста, а это и означает, что в туманности пик рождения звёзд давно миновал и Столпы переживают упадок, который, как мы теперь знаем, в реальности уже закончился полным «развеиванием по ветру» (фото NASA/CXC/J.Linsky (U.Colorado) et al. и NASA/ESA/STScI/J.Hester, P.Scowen (ASU)).

Туманность Орла с «дыркой» H II внутри находится где-то между двумя этими крайними состояниями и тем интересна.

Из-за выдувания газа излучением первых звёзд, сформированных в данной колыбели, лишь 10% газа, первоначально собранного в подобном гигантском облаке, идёт на рождение светил, остальной водород — рассеивается в пространстве.

Можно только пофантазировать на тему — есть ли у звёзд в таких скоплениях планетные семьи и успевает ли там зародиться жизнь, прежде чем какой-нибудь взрыв близкой сверхновой стерилизует миры. А ведь самые крупные из солнц, возникших в туманности, сходной с туманностью Орла, проживают свою короткую жизнь и взрываются ещё до того, как в других частях облака завершатся процессы рождения других светил. Феерический круговорот.

Компьютер раскрыл тайну рождения Столпов Творения