Можна подумати, що космос порожній. Але ця позірна порожнеча заповнена ледь відчутним туманом із водню та інших нейтральних атомів. 2020 року апарат NASA New Horizons, який уже минув орбіту Плутона, виміряв непрямий показник кількості водню довкола себе. У проміжках між зорями нашої Галактики – у так званому міжзоряному середовищі – New Horizons нарахував близько 130 атомів водню на літр простору.
Цей водень, разом із невеликою кількістю гелію та інших молекул, здебільшого лишився від Великого вибуху. До того ж його постійно поповнюють космічні явища: зорі під час народження викидають струмені газу й пилу, а наприкінці життя скидають свої зовнішні шари.
Міжзоряне середовище таке розріджене й змінюється так повільно, що останні пів століття астрономи переважно не зважали на його подробиці й вважали його нерухомим тлом для яскравіших подій у Всесвіті.
Проте майже порожній простір не такий простий, як здається.
За останні кілька років астрофізики докорінно змінили наше розуміння міжзоряного середовища. Завдяки новим мапам, що охоплюють тисячі світлових років нашої Галактики, вони з’ясували: це зовсім не тихе й незмінне тло, яким його вважали. Навпаки, значна частина міжзоряного середовища, схоже, нестабільна – а це прямо суперечить провідним теоретичним моделям із підручників. Несподіване відкриття може допомогти розв’язати давнє питання про те, як швидко народжуються зорі.
Гаряче й холодне
1969 року дослідники Джордж Філд, Дональд Голдсміт і Гарм Габінг запропонували модель поведінки міжзоряного середовища. За їхнім передбаченням, воно існує у двох стабільних станах: холодному й теплому.
Газ і пил, дрейфуючи в космосі, гравітацією стягують до себе ще більше газу й пилу й зрештою утворюють хмару. Такі хмари зазвичай охолоджуються, бо швидкі молекули стикаються з іншими молекулами й втрачають енергію. Їхня температура тримається на крижаній позначці 100 кельвінів, тобто близько мінус 173 градусів Цельсія.
Однак буває, що газ і пил надто гарячі, щоб стиснутися в холодну хмару, – і тоді вони утворюють розріджену. Розріджена хмара набагато більше відкрита для навколишніх зір, які постачають їй нову енергію у вигляді ультрафіолетового випромінювання. Завдяки цьому хмара тримає сталу температуру близько 8000 кельвінів.
Науковці вважали, що атоми міжзоряного середовища майже миттєво переходять або в холодний, або в теплий стан, тож нестабільного, проміжного середовища практично не лишається.
1977 року Кріс Маккі та Джеремайя Острайкер додали до цієї картини третю фазу: на фронтах ударних хвиль наднових газ може розігріватися ще сильніше, перетворюючись на пекучу плазму з температурою пів мільйона кельвінів. Та навіть у цій розширеній схемі вважалося, що атомарний газ поза зонами вибухів існує спокійно, у рівновазі тисків.
Утім, перевірити теорію було важко. Холодний атомарний водень не випромінює видимого світла. Найпростіше виміряти його, шукаючи рідкісний атомний перехід: електрон і протон в атомі водню іноді перемикаються між двома можливими станами. Під час цього переходу випромінюється слабка радіохвиля завдовжки 21 сантиметр.
Понад 70 років астрономи спрямовують у небо радіоантени, щоб уловити цей «шепіт» газу. Але дивлячись уздовж одного променя зору від Землі, вони отримують лише заплутаний клубок сигналів від хмар, які перекривають одна одну. Розбиратися в таких результатах – усе одно що дивитися крізь стос напівпрозорих кольорових пластикових аркушів: їхні кольори зливаються, і окремий шар розгледіти важко.
Лише останніми роками, із запуском нових космічних телескопів, астрономи змогли дослідити простір між зорями настільки детально, щоб розділити ці шари.
Дарунок Gaia
Телескоп Gaia, запущений 2013 року, відкрив нові можливості для вивчення міжзоряного середовища: він дав науковцям тривимірну мапу зір довкола Сонця.
Один зі способів, яким він створював цю мапу, легко відтворити самому. Тримайте великий палець перед обличчям і заплющуйте то ліве, то праве око. Перемикаючись туди й назад, ви помітите, що палець ніби зсувається відносно того, що за ним. Що ближче палець до обличчя, то сильніше змінюється його положення. Це явище називається паралаксом.
Gaia спостерігав майже 2 мільярди зір під різними кутами, поки Земля за свій річний оберт переміщувалася з одного боку Сонця на інший. Вивчаючи паралакс, дослідники визначили відстані від Землі до цих зір.
Далі науковці дослідили, як світло цих зір тьмяніло й червоніло, проходячи крізь міжзоряне середовище на шляху до Gaia. Зібравши такі дані з різних напрямків і скориставшись відстанями, отриманими завдяки паралаксу, вони змогли краще зрозуміти, якою є густина пилу між зорями.
Але перетворити ці відомості на тривимірну мапу міжзоряного середовища було непросто. Тим самим даним могло відповідати багато можливих конфігурацій середовища, пояснив Ґреґорі Ґрін, астроном Університету Вестлейк у Ханчжоу (Китай). Більше даних давало астрономам точніші обмеження, але й ускладнювало обчислення. Завдання, за словами Ґріна, – обрати найправдоподібнішу з фізичного погляду конфігурацію, коли математика, що лежить в основі, «стає нерозв’язною».
Протягом останнього десятиліття Ґрін та інші дослідники розробили складні статистичні методи для таких розрахунків. 2024 року окрема команда за допомогою цих інструментів побудувала неперервну тривимірну мапу густини пилу міжзоряного середовища в сфері діаметром понад 4000 світлових років довкола Сонця.
Мапа пилу показала, де міжзоряний пил зосереджений, і виявила густі хмари, розкидані простором між зорями. Проте вона не могла сказати, наскільки цей пил гарячий чи холодний. Щоб охопити весь діапазон температур міжзоряного середовища, потрібна була друга мапа – така, що показувала б, як воно нагрівається. І знайшлася вона в несподіваному місці.
У постійному русі
Джонатан Шелест, студент бакалаврату Техніону в Хайфі (Ізраїль), пам’ятає дослідницький семінар з астрофізики 2024 року, на якому його викладач Шмуель Бялі показував студентам зображення газу й пилу, що в порожнечах між зорями збираються в клубочасті структури на кшталт Стовпів творення. «Мені подобається уявляти геометрію всього навколо, – розповідає Шелест. – Тож цілком природно було почати уявляти всю цю динаміку, усю структуру, усю красу й багатство».
Одразу після лекції Шелест написав Бялі листа з проханням прийняти його до дослідницької групи. Наче з волі долі, Бялі якраз шукав студента, який вивчав би міжзоряне середовище за допомогою тривимірного картографування, – так і почалася їхня наукова співпраця.
Мапа пилу міжзоряного середовища в Шелеста вже була. План полягав у тому, щоб поєднати її з мапою ультрафіолетового випромінювання, яке це середовище нагріває.
Випадково Бялі знайшов саме таку мапу: на конференції він розговорився з астрофізиком Троєм Портером зі Стенфордського університету, який склав її, але ще не опублікував.
Тож Шелест, Бялі та їхні колеги взялися об’єднати 200 гігабайтів даних двох мап. У кожній точці простору вони порівнювали густину пилу з інтенсивністю випромінювання, щоб зрозуміти, де міжзоряне середовище гаряче, а де холодне. Зрештою їм вдалося звести відомості про пил і випромінювання в єдину тривимірну сітку.
Потім Шелест почав з’ясовувати, що може розповісти ця мапа. Найбільша несподіванка чекала на нього, коли він дослідив загальну температуру міжзоряного середовища: виявилося, що в нашому галактичному сусідстві 27% середовища холодні, 32% теплі, а решта 41% опинилися просто в «забороненій зоні» – це нестабільне середовище. «Я думав, що помилився, – каже Шелест. – Як ти прийдеш до наукового керівника й скажеш, що в тебе вийшло стільки нестабільного середовища?»
Але мапа, схоже, не була зіпсована. Шелест не побачив у тривимірній сітці жодних ознак артефактів чи випадкового статистичного шуму. Натомість нестабільне середовище утворювало величезні суцільні «ковдри», що повністю огортали холодні хмари.
Уся ця кількість проміжного середовища, ні гарячого, ні холодного, означає, що стара теорія неповна, вважає Адам Гінзбург, астроном Флоридського університету. «Щось захоплює речовину, яка за статичною теорією мала б перебувати в одному з двох інших станів, і перемішує її так, що вона змушена змінювати стан».
Десіка Нараянан, астрофізик Флоридського університету, вдається до органічної метафори. «Як кров у вашому тілі несе метаболічні відходи чи кисень і переносить різні речовини в різні місця, – каже він, – так і міжзоряне середовище робить те саме, тільки з енергією, і воно постійно перебуває в русі».
Без поспіху
Того липневого дня 2026 року, коли група виклала статтю, поштову скриньку Шелеста заполонили листи від захоплених астрономів і пропозиції співпраці. Утім, дослідники закликають не поспішати переписувати підручники.
Модель могла переоцінити частку нестабільного середовища, якщо холодні й теплі ділянки розташовані надто близько, щоб вона могла їх розрізнити, зазначив Маккі. Або ж команду міг увести в оману метод, яким вона обчислювала загальний розподіл газу й пилу, каже Філіпп Франк, астрофізик Інституту астрофізики частинок і космології імені Кавлі при Стенфорді. Дослідники використали «середнє за ансамблем» – обчислення, яке за своєю природою згладжує різкі контрасти. Якби холодна хмара різко переходила в теплу, цей метод штучно перетворив би стрімкий перепад густини на плавніший схил, а це завищило б кількість нестабільного середовища.
Шелест і Бялі, чий аналіз зараз проходить рецензування, визнають, що обмежена роздільна здатність і згладжування мапи – справжні проблеми. Проте вони наполягають, що саме лише математичне розмиття не може пояснити більшість нестабільного середовища. Коли автори перевірили своє моделювання на зовсім іншій мапі пилу з нижчою роздільною здатністю, частка нестабільного середовища змінилася лише приблизно на 5%, кажуть вони.
Вир творення
Галактики напрочуд неефективно перетворюють сировину – газ і пил – на зорі. Десятиліттями моделювання не могли пояснити чому. Нова мапа пропонує відповідь: зореутворення пригнічує безперервний цикл нагрівання й охолодження, який збурює міжзоряне середовище.
«Зореутворення таке неефективне через те, що зворотний зв’язок нагріває навколишній газ і тисне на нього», – пояснює Анна Розен, астрофізикиня з Університету штату Сан-Дієго. Таке збурення могло б пояснити, чому класичні моделі, які припускають, що міжзоряне середовище перебуває в спокійній рівновазі, не зовсім узгоджуються з реальністю. За словами Розен, моделі дають нам «фізично обґрунтовані знімки» – незмінні зображення ділянок гарячого й холодного середовища, – «але між цими знімками відбувається ще багато чого».
За авторством Перрі Талер