Вселенная огромна и увлекательна. Сложно представить, насколько мала Земля по сравнению с космической бездной. Согласно самых осторожных предположений астрономов, существует 100 миллиардов галактик, а Млечный Путь - лишь одна из них. Что же касается Земли, только во Млечном пути есть 17 миллиардов подобных планет... и это не считая других, которые радикально отличаются от нашей планеты. А среди галактик, которые сегодня стали известны ученым, встречаются очень необычные.

1. Messier 82

Messier 82 или просто M82 - галактика в пять раз ярче Млечного Пути. Это обусловлено очень быстрым процессом рождением молодых звезд в ней – они появляются в 10 раз чаще, чем в нашей галактике. Красные шлейфы, исходящие из центра галактики - пылающий водород, который выбрасывается из центра M82.

2. Галактика-подсолнечник

Формально известная как Messier 63, эта галактика была прозвана Подсолнечником, поскольку выглядит так, будто сошла с картины Винсента Ван Гога. Ее яркие, извилистые "лепестки" состоят из недавно образованных сине-белых гигантских звезд.

3. MACS J0717

MACS J0717 является одной из самых странных галактик, известных ученым. Технически это не один звездный объект, а скопление галактик - MACS J0717 образовалась при столкновении четырех других галактик. Причем процесс столкновения идет уже более 13 миллионов лет.

4. Messier 74

Если бы у Санта Клауса была любимая галактика, то это явно стала бы Messier 74. О ней часто вспоминают астрономы во время рождественских праздников, ведь галактика очень похожа на Рождественский венок.

5. Галактика Baby Boom

Находящаяся примерно в 12,2 миллиардах световых лет от Земли, галактика "бэби-бум" была обнаружена в 2008 году. Получила она свое прозвище из-за того, что в ней невероятно быстро рождаются новые звезды - примерно каждые 2 часа. К примеру, в Млечному Пути новая звезда появляется в среднем каждые 36 дней.

6. Млечный путь

Наша Галактика Млечный Путь (в которой находится Солнечная система, а, соответственно, и Земля) действительно является одной из самых примечательных из известных ученым галактик во Вселенной. В ней есть, по крайней мере 100 миллиардов планет и около 200-400 миллиардов звезд, некоторые из которых являются одними из старейших в известной вселенной.

7. IDCS 1426

Благодаря кластеру галактик IDCS 1426 сегодня можно видеть то, какой была Вселенная на две трети моложе, чем сейчас. IDCS 1426 является самым массивном скоплением галактик в ранней Вселенной, которое имеет массу около 500 триллионов Солнц. Ярко-синее ядро галактики из газа является результатом столкновением галактик в этом кластере.

8. I Zwicky 18

Карликовая голубая галактика I Zwicky 18 - самая молодая из известных галактик. Ее возраст составляет всего 500 миллионов лет (возраст Млечного пути - 12 миллиардов лет) и она по сути пребывает в состоянии эмбриона. Это гигантское облако холодного водорода и гелия.

9. NGC 6744

NGC 6744 - большая спиральная галактика, которая (как считают астрономы) одна из наиболее похожих на наш Млечный путь. У галактики, расположенной примерно в 30 миллионах световых лет от Земли, на удивление идентичные с Млечным путем удлиненное ядро и спиральные рукава.

10. NGC 6872

Галактика, известная как NGC 6872, является второй по величине спиральной галактикой из когда-либо обнаруженных учеными. В ней было найдено множество областей активного звездообразования. Поскольку в NGC 6872 практически не осталось свободного водорода для образования звезд, она "высасывает" его из соседней галактики IC 4970.

11. MACS J0416

Найденная в 4,3 миллиардах световых лет от Земли, галактика MACS J0416 больше похожа на какое-то световое шоу на модной дискотеке. На самом деле, за яркими фиолетовыми и розовыми цветами скрывается событие колоссального масштаба - столкновение двух скоплений галактик.

12. M60 и NGC 4647 - галактическая пара

Хотя гравитационные силы притягивают большинство галактик друг к другу, нет никаких доказательств того, что подобное происходит с соседними Messier 60 и NGC 4647. При этом также нет никаких доказательств того, они отдаляются друг от друга. Как пара, давным-давно живущая вместе, эти две галактики так и мчатся бок о бок через холодный и темный космос.

13. Messier 81

Расположенная неподалеку от Messier 25, Messier 81 является спиральной галактикой со сверхмассивной черной дырой в центре, масса которой в 70 миллионов раз больше массы Солнца. M81 является домом для многих короткоживущих, но очень горячих голубых звезд. Гравитационное взаимодействие с M82 привело к тому, что между обеими галактики протянулись шлейфы газообразного водорода.

Около 600 миллионов лет назад галактики NGC 4038 и NGC 4039 врезались друг в друга, начав массово обмениваться звездами и галактической материей. Из-за внешнего вида эти галактики прозвали антеннами.

15. Галактика Сомбреро

Галактика Сомбреро - одна из самых популярных среди астрономов-любителей. Название она получила из-за того, что благодаря своему яркому ядру и большой центральной выпуклости выглядит как этот головной убор.

16. 2MASX J16270254 + 4328340

Эта расплывчатая на всех снимках галактика известна под довольно сложным названием 2MASX J16270254 + 4328340. В результате слияния двух галактик образовался "мелкодисперсный туман, состоящий из миллионов звезд". Считается, что этот "туман" медленно рассеивается, поскольку срок жизни галактики истекает.

17. NGC 5793

Не слишком странная (хотя очень красивая) на первый взгляд, спиральная галактика NGC 5793 более известна своим редким явлением: мазерами. Люди знакомы с лазерами, которые излучают свет в видимой области спектра, но мало кто знает о мазерах, которые излучают свет в диапазоне СВЧ.

18. Галактика Треугольника

На фото изображена туманность NGC 604, расположенная в одном из спиральных рукавов галактики Messier 33. Более 200 очень горячих звезд нагревают ионизованный водород в этой туманности, что заставляет его флуоресцировать.

19. NGC 2685

NGC 2685, которую также иногда называют спиральной галактикой, находится в созвездии Большой Медведицы. Будучи одной из первых найденных полярных кольцевых галактик, NGC 2685 имеет внешнее кольцо из газа и звезд, вращающихся вокруг полюсов галактики, что делает ее одной из самых редких разновидностей галактик. Ученые до сих пор не знают, что приводит к образованию этих полярных колец.

20. Messier 94

Messier 94 выглядит как ужасный ураган, который был снят на Земле с орбиты. Эта галактика окружена ярко-голубыми кольцами активно формирующихся звезд.

21. Кластер Пандоры

Формально известная как Abell 2744, эта галактика была прозвана кластером Пандоры из-за целого ряда странных явлений, вытекающих из столкновения нескольких более мелких скоплений галактик. В ней творится настоящий хаос.

22. NGC 5408

То, что больше похоже на снимках на разноцветный праздничный торт, - неправильная галактика в созвездии Центавра. Примечательна она тем, что испускает сверхмощное рентгеновское излучение.

23. Галактика Водоворот

Галактика Водоворот, официально известная как M51a или NGC 5194, достаточно большая и близкая к Млечному пути, чтобы ее можно было бы увидеть на ночном небе даже в бинокль. Она была первой классифицированной спиральной галактикой и представляет особый интерес для ученых благодаря своему взаимодействию с карликовой галактикой NGC 5195.

24. SDSS J1038 + 4849

Скопление галактик SDSS J1038 + 4849 является одним из самых привлекательных кластеров, когда-либо найденных астрономами. Выглядит он как настоящий смайлик в космосе. Глаза и нос являются галактиками, а изогнутая линия "рта" обусловлена воздействием гравитационного линзирования.

25. NGC3314a и NGC3314b

Хотя эти две галактики выглядят как будто они сталкиваются, на самом деле это оптический обман. Между ними десятки миллионов световых лет.

Но в наблюдениях мы видим и прослеживаем структуры во Вселенной именно через исследование галактик.

Поэтому наблюдательное исследование эволюции Вселенной - это исследование эволюции галактик. Такой «экстремистский» тезис я буду доказывать, обосновывать, иллюстрировать на протяжении всей этой книги.

Исследование эволюции галактик сейчас переживает бурное развитие в связи с развитием техники астрономических наблюдений. Теория пока не поспевает за наблюдательными открытиями, поэтому ключевые концепции приходится пересматривать достаточно часто.

Я расскажу о текущем состоянии дел и немного о перспективных - весьма вероятных будущих изменениях в общепринятых взглядах на эволюцию галактик и, соответственно, на эволюцию всей Вселенной.

Три кита, на которых стоит теория эволюции галактик

Все исследования формирования и эволюции галактик опираются прежде всего на физическую модель. Хотя в перспективе это должна быть единая, самосогласованная модель, но исторически сложилось так, что до сих пор практически независимо рассматривается три класса физических механизмов, формирующих и изменяющих структуру и наблюдаемые характеристики галактик - их размер, блеск, цвет, внутренние движения. Эти три класса механизмов - три кита, на которых покоятся (или, напротив, быстро изменяются) наши представления об эволюции галактик, - следующие:

Динамическая эволюция,
-спектрофотометрическая эволюция,
-химическая эволюция галактик.

В классическом варианте теории динамическая эволюция понималась прежде всего как ранняя стадия эволюции, относящаяся собственно к формированию галактики. Эта традиция объяснялась тем, что большинство галактик вокруг нас выглядят как динамически устойчивые, прорелаксировавшие системы; судя по всему, в них выполняется теорема вириала, 2T + U = const, где T - кинетическая энергия системы, а U - ее потенциальная энергия. Поэтому сначала предполагалось, что бурные динамические процессы, оформившие в основном структуру галактик, относились к первому миллиарду лет их жизни, к эпохе коллапса протогалактического газового облака и основного звездообразования в нем.

А позже динамические эффекты лишь слегка изменяли структурные характеристики: например, из-за увеличения хаотических скоростей старых звезд («динамический нагрев») могли утолщаться диски галактик.

В последние десятилетия общее мнение о важности динамических процессов в структурной эволюции современных галактик стало радикально меняться. Прежде всего, зрелищный феномен взаимодействия галактик, хотя и достаточно редкий в нашу эпоху, все же навел астрономов на мысль, что галактики могут сливаться, а в давние времена, когда плотность вещества в расширяющейся Вселенной была выше, чем сейчас, и частота слияний тоже могла быть выше. Эту идею сейчас подхватили и успешно эксплуатируют космологи; согласно их сценариям, вся эволюция галактик - это череда последовательных слияний. Между тем, конечно, слияния («мержинг», как говорят западные коллеги) - это динамические катастрофы, которые полностью перестраивают галактику и дают начало ее новой жизни.

Кроме катастроф, могут существовать и плавные, монотонные, но тем не менее существенные изменения в структуре галактик под действием разного рода динамических неустойчивостей; такие изменения называют «вековой эволюцией».

В последнее время все более популярной становится идея о том, что даже такие глобальные структуры в галактиках, как бары (центральные перемычки), которые дали Хабблу основание выделить особую ветвь морфологической классификации галактик, SB-ветвь, на самом деле не являются пожизненным атрибутом галактики: в ходе вековой эволюции они могут возникать, потом рассасываться, потом возникать снова. Также вековая эволюция может изменять соотношение размеров балджа и диска в галактике и даже менять ее морфологический тип.

Спектрофотометрическая эволюция галактик - т. е. эволюция их светимости, цвета и спектра - определяется суммарным эффектом эволюции составляющих ее звезд. При наблюдениях мы можем разрешить на отдельные звезды только самые близкие к нам галактики; для подавляющего же большинства галактик доступны измерениям только интегральные потоки - сумма излучений всех звезд, составляющих данную галактику или данную область галактики.

Простейшим аналогом галактик как звездных систем являются звездные скопления, которые состоят из звезд одного возраста и одного химического состава, но разной массы. Галактика же в общем случае состоит из многих поколений звезд, т. е. как бы представляет собой сумму гиперскоплений разных возрастов; в самосогласованной (идеальной) модели и металличность поколений должна быть разной в соответствии с ходом химической эволюции в галактике.

На деле же пока более успешными, в плане сравнения с наблюдениями, являются модели звездных населений галактик с единым химическим составом для всех звезд - химическим составом, вероятно, соответствующим среднему, взвешенному по светимости звезд, обилию элементов в звездах галактики.

Спектрофотометрические модели галактик строятся численным интегрированием (сложением) спектров звезд, которые, в свою очередь, берутся из хорошо разработанной теории эволюции звезд. Определяющими параметрами эволюционных треков звезд на диаграмме Герцшпрунга - Рассела служат масса и металличность звезды, поэтому интегрирование проводится по массам и возрастам звезд, а металличность фиксируется как параметр модели галактики.

При этом, конечно, надо знать или задавать из априорных предположений распределения звезд в галактике по массам и возрастам. В самом простом случае предполагается, что в определенный момент времени образовался некий конгломерат звезд разных масс, но одинаковой металличности, и дальше он спокойно эволюционировал без добавления туда новых звезд.

Такой частный вариант модели еще называют «пассивной эволюцией» и довольно успешно применяют его для описания эволюции эллиптических галактик. Расчеты показывают, что пассивно эволюционирующая система звезд с возрастом тускнеет и краснеет, поскольку наиболее массивные, яркие голубые звезды заканчивают свой жизненный путь раньше, чем менее массивные. К возрасту около 10 млрд лет такая звездная система уже состоит только из звезд, менее массивных, чем Солнце, и ее спектрофотометрическая эволюция сильно замедляется.

Поэтому эллиптические галактики на красных смещениях z = 0 и z = 0,5 выглядят совершенно одинаковыми, хотя более далекие из них - на z = 0,5 - в среднем на 3–5 млрд лет моложе. А вот если в галактике в середине или на любом другом промежуточном этапе ее жизненного пути образовывались новые молодые звезды, то она в этот момент «омолаживалась», т. е. ярчала и голубела, и дальше эволюция должна была пойти уже немного по-другому, в частности - в более резвом темпе.

Если коротко охарактеризовать самые общие впечатления от современных цветов и светимостей близких галактик, то они хорошо описываются моделями, в которых практически все галактики - старые, т. е. первая вспышка звездообразования состоялась более 10 млрд лет назад, а дальше - чем более ранний морфологический тип у галактики, тем меньше было характерное время затухания ее глобального звездообразования. В эллиптических галактиках все должно было закончиться менее, чем за 1 млрд лет, а в Sc-галактиках звездообразование тлеет примерно на постоянном уровне все время ее жизни. В неправильных и карликовых галактиках вообще предполагается «вспышечный», т. е. сильно неравномерный ход глобального звездообразования.

Химическая эволюция галактик - это история происхождения химических элементов. Согласно современным представлениям, только самые легкие элементы - водород и его изотопы, гелий и литий - образовались в Большом взрыве, в первые несколько минут жизни Вселенной.

Все остальные элементы образуются в звездах в процессе их эволюции, в ходе термоядерных реакций.

Различают несколько классов ядерных реакций, характерных для звезд различных масс в разные периоды их жизни:

протон-протонную цепочку, CNO-цикл, горение гелия, горение углерода, s-процессы, г-процессы и т. д.

Мнения теоретиков о вкладе тех или иных реакций в производство каждого конкретного химического элемента еще окончательно не устоялись. Однако те, кто моделирует химическую эволюцию галактик, смело берут «state-of-art», т. е. самые свежие расчеты звездного нуклеосинтеза, а далее интегрируют производство химических элементов по времени и по массам звезд точно так же, как при спектрофотометрическом моделировании интегрировали светимости звезд.

Параметры модели, соответственно, те же самые - начальное распределение звезд по массам и история звездообразования в галактике, плюс теория звездного нуклеосинтеза, которая на данный момент считается заданной.

В астрономии все элементы тяжелее гелия традиционно называют «металлами», в этом мы терминологически расходимся с химиками. Поскольку металлы в звездах синтезируются, но практически не разрушаются, металличность галактики со временем всегда возрастает, но с какой скоростью и по какому закону - это уже зависит от деталей модели.

В области химической эволюции галактик у исследователей есть мощный эталон, которого нет в области спектрофотометрической эволюции, - это наша собственная Галактика. Посмотреть на нее со стороны и измерить светимость мы не можем, а вот измерить химический состав отдельных звезд - можем.

Химический состав звезд Галактики уже давно исследуется в массовом порядке, есть хорошая статистика, но нельзя сказать, что она сильно проясняет ситуацию. Вроде бы самые первые звезды должны образовываться из первичного газа, не прошедшего еще через цепь термоядерных реакций в недрах звезд, а потому имеющего нулевую металличность. Однако в нашей Галактике пока не найдено ни одной звезды с нулевой металличностью.

Куда же делись маломассивные долгоживущие первичные звезды с нулевой металличностью? Или откуда взялся ненулевой уровень начальной металличности в нашей Галактике? Вроде бы металличность газа и соответственно звезд, из него образующихся, должна монотонно возрастать со временем, но в диске Галактики до сих пор не найдено убедительной антикорреляции металличности звезд с их возрастом. Возраст Солнца - не менее 4,5 млрд лет, но современная металличность межзвездной среды очень близка к солнечной. Чем объяснить практически нулевой темп обогащения металлами межзвездной среды галактического диска?

А наблюдательная техника продолжает развиваться. Сейчас уже в звездах измеряют детальный химический состав - не общую металличность, а содержание отдельно железа, кислорода, магния, кальция и т. д. Соответственно, и от современной теории химической эволюции галактик теперь уже требуются сценарии, объясняющие не только общую металличность, но и соотношение содержаний отдельных химических элементов на каждом этапе эволюции и в разных типах галактик. Нельзя сказать, что задачи теории химической эволюции упрощаются со временем - а мы и прежние еще не решили…

Два способа изучать эволюцию, или Что мы знаем про далекие галактики

Чтобы наполнить картину эволюции галактик конкретным содержанием и выстроить последовательность и значимость различных возможных эволюционных этапов и механизмов, необходимы наблюдательные данные. Их можно получать двумя принципиально разными способами.

Во-первых, можно подробно изучать строение и характеристики близких галактик и строить физические модели эволюции, которые на финальной стадии, к моменту нулевого красного смещения, дают именно такие объекты, какие мы видим рядом с собой, полностью похожие по динамике, структуре и характеристикам звездного населения.

А во-вторых, учитывая колоссальную проницающую силу современных больших телескопов, можно заглядывать напрямую на большие красные смещения - там мы видим галактики, какими они были несколько миллиардов лет назад. Ведь скорость света конечна, и с очень далеких расстояний свет может идти от галактики до нас миллиарды лет.

На рисунке представлена связь красного смещения, на котором наблюдается галактика, и времени, прошедшего для нее от рождения Вселенной, т. е. от Большого взрыва до момента испускания галактикой тех квантов, которые мы сейчас принимаем.

Для расчета графика на рис. 1.4 использована самая популярная современная космологическая модель - с темной материей и темной энергией. Именно космологическая модель определяет геометрию Вселенной, шкалу расстояний и, соответственно, время, которое требуется лучу света, чтобы дойти от галактики на красном смещении z до нас, находящихся на z = 0. Из рис. 1.4 видно, что когда мы наблюдаем галактику на красном смещении z = 1, мы ее видим такой, какой она была 8 млрд лет назад. А на красном смещении z = 5, где сейчас идут самые массовые поиски и обзоры галактик, видна Вселенная всего через один миллиард лет после .

С современными наблюдательными средствами мы видим практически всю эволюцию Вселенной на просвет и, двигаясь по z, можем на прямую наблюдать эволюцию полного космического населения галактик.

Первый подход, когда мы изучаем в деталях близкие галактики, хорош тем, что мы видим в галактиках всё и с большой точностью измеряем все характеристики галактик. Ограничения первого подхода тоже ясны: мы можем заложить в модели только ту физику, которую уже знаем, а если в эволюции галактик есть то, чего мы себе пока не представляем, оно будет упущено, и модель получится неверной. Правда, тот факт, что модель неверна, мы рано или поздно обнаружим, когда появятся новые наблюдательные данные, которые в данную модель не укладываются.

Второй подход, на первый взгляд, кажется более прямым: выстраивая наблюдаемые характеристики галактик вдоль красного смещения, мы вроде бы получаем временной ход их эволюции, не опирающийся на априорные модельные предположения. Однако когда работа в этом направлении пошла активно, выяснилось, что и тут все непросто.

Допустим, в каком-то диапазоне спектра - например, в дальнем инфракрасном диапазоне - обнаруживается совершенно новый вид галактик; к примеру, удалось определить их красное смещение, хотя и это не всегда возможно, и это красное смещение оказалось большим: мы видим ранний этап эволюции.

Теперь надо понять: превратятся ли эти необычные галактики во что-то обычное к настоящей эпохе, к z = 0, и во что именно, или же с ходом эволюции исчезнут как класс, и мы не увидим рядом с нами их прямых потомков. Единственный известный пока нам способ сделать это, то есть выстроить наблюдаемые на разных красных смещениях совершенно разные по виду галактики в одну эволюционную цепочку, состоит в том, чтобы привлечь те самые физические модели эволюции, правильность которых еще никто не доказал. И все возвращается на круги своя.

Пока что чем больше наблюдательных данных о далеких галактиках собирается в копилках астрономов, тем менее ясной представляется общая картина. Есть и прямые противоречия: одни данные говорят за один сценарий эволюции, другие - за совершенно иной. Наука об эволюции галактик находится сейчас в том счастливом возрасте, когда фактов уже достаточно, чтобы было над чем поразмыслить, но полную картину еще предстоит построить.

Наиболее яркий пример прямого наблюдательного изучения эволюции галактик путем сопоставления их типичных характеристик на разных красных смещениях служит история исследования глубоких полей «Хаббла» (HDF, Hubble Deep Fields) - то есть площадок неба, снятых космическим телескопом «Хаббл» с очень длинными экспозициями.

Сейчас их уже несколько - Ультраглубокое поле «Хаббла» (2004), Крайне глубокое поле «Хаббла» (2012 г.), а началось все с двух небольших площадок - северной и южной. Северное глубокое поле «Хаббла» (HDF-N) было снято первым и на сегодняшний день исследовано досконально. Вся эта эпопея с глубокими полями «Хаббла» началась в 1994 году, когда после починки космического телескопа «Хаббл» (далее - HST) выяснилось, что теперь он может получать изображения с угловым разрешением 0,1″.

Астрономам захотелось посмотреть с таким разрешением на очень далекие галактики; для этого нужно было получить очень глубокий снимок, т. е. снимок с очень большой экспозицией. В созвездии Большая Медведица была выбрана небольшая, всего 5,3 кв. минуты дуги, и на первый взгляд совершенно пустая площадка, и с прибором WFPC2 (Wide-Field Planetary Camera-2) она экспонировалась в течение 10 суток.

Были получены снимки в четырех широких фотометрических полосах: использовались фильтры F300W, F450W, F555W и F814W, центрированные на длины волн, указанные в их именах (в нанометрах), и грубо соответствующие фотометрической системе Джонсона - Казинса, т. е. фильтрам U, B, V и I. Позднее площадку досняли с прибором NICMOS (Near-Infrared Camera and Multi-Object Spectrograph) в фильтрах F110W (1,1 мкм, J) и F160W (1,6 мкм, H).

Таким образом, для всех объектов площадки были получены не только широкополосные цвета, но и грубое распределение энергии в спектре в диапазоне от 3000 до 16 000 Å. Предельная звездная величина, достигнутая в экспозиции HDF-N, Vlim ≈ 30m. Площадка располагается на высокой галактической широте, поэтому несомненных звезд на ней мало - всего 9; есть еще несколько десятков слабых точечных голубых объектов, которые могут оказаться старыми белыми карликами.

Все остальные объекты площадки, а их около трех тысяч, - это галактики. Самой близкой к нам оказалась красивая эллиптическая галактика чуть выше центра кадра - ее красное смещение z = 0,09. На каком красном смещении располагается самая далекая галактика в HDF-N, пока сказать трудно. Есть один объект, широкополосные цвета которого намекают на z ≈ 12, однако все попытки снять спектр галактики, чтобы найти в нем эмиссионную линию для спектрального подтверждения красного смещения по эффекту Доплера, потерпели неудачу - уж слишком слабый у нее блеск.

Подавляющее большинство галактик, обнаруженных в HDF-N, находятся на красных смещениях меньше 1. Правда, надо иметь в виду: в основном это так называемые фотометрические красные смещения. Снять спектр галактики 25-й звездной величины, используя даже самые крупные наземные телескопы, - дело долгое, дорогое и трудное. Поэтому в поле HDF-N прямо измерили значения z только у 150 галактик из 3000, причем, естественно, у самых ярких.

Для остальных моделировали цвета: распределения энергии в спектрах близких галактик сдвигали в красную сторону, «сворачивали» с кривыми реакции фильтров и смотрели, как меняется видимый цвет в зависимости от z. Совпал при каком-то конкретном красном смещении модельный цвет с наблюдаемым для некоей галактики - вот вам и фотометрическое z.

По всем 150 галактикам, у которых красное смещение измерено спектрально, калибровки фотометрических z, естественно, были проверены; авторы методики уверяют, что точность фотометрических красных смещений, определенная как (zph − zspec) / (1 + zspec), лучше 5%.

Среди того большинства галактик, у которых z < 1, опять же большую часть представляют слабые голубые галактики с нерегулярной морфологией, и относительное количество таких галактик явно растет с z. Однако на z ≤ 1 наблюдаются и яркие представители всех хаббловских морфологических типов. Например спиральная галактика, развернутая плашмя; ее красное смещение z = 1,01. Статистический анализ показывает, что в интервале 1 > z > 0 ни число, ни характерные светимости и размеры эллиптических и спиральных галактик не изменились: все крупные галактики, которых мы видим рядом с нами, уже сформировались к эпохе z ≈ 1, т. е. 8 млрд лет назад.

Однако картина резко меняется на z > 1,5: в HDF-N нет ни одной галактики с большим z, которые имели бы правильную морфологию, а всего их там несколько десятков. Характерное изменение морфологии с z можно проследить, например, на рис. 1.6 (взят из обзора Ferguson et al., 2000): галактики на z > 2, как правило, «множественные», т. е. представляют собой скопления сгустков неправильной формы. Линейные размеры сгустков значительно меньше, чем типичные размеры современных галактик, - их диаметры меньше 1 кпк.

Сторонники иерархической концепции, т. е. гипотезы формирования больших галактик путем слияния мелких фрагментов, обрадовались, решив, что в HDF-N напрямую виден этот процесс на красных смещениях z = 2 ÷ 3.

Однако скептики тут же выдвинули свои возражения. Во-первых, существует космологическое ослабление поверхностной яркости - эффект Толмена, пропорциональный (1 + z)4, - и значит, на больших красных смещениях мы можем не увидеть обычные диски галактик, а будем видеть только самые яркие области звездообразования в них; у современных молодых звездных комплексов как раз подходящие размеры.

Во-вторых, на z > 2 в оптическую область спектра, где наблюдала WFPC2, из-за красного смещения попадает уже далекая ультрафиолетовая область спектра в собственной системе длин волн галактики, а ультрафиолетовая морфология галактики может сильно отличаться от оптической, опять же из-за очагов звездообразования.

Последнее возражение удалось отчасти снять после того, как HDF-N отнаблюдали с прибором NICMOS на 1,1 мкм и 1,6 мкм и посмотрели уже на оптическую (в системе длин волн галактик) морфологию тех же самых далеких объектов; оказалось, что она качественно не отличается от морфологии, наблюдавшейся с WFPC2 . Однако первое возражение пока еще никто не опроверг.

Вообще-то наблюдательные поиски галактик в процессе их формирования начались задолго до запуска космического .

Еще в 1970-х годах усилиями сначала Пиблса и Патриджа, а потом Беатрис Тинсли, которая изобрела метод эволюционного спектрофотометрического моделирования, стал очень популярен такой образ новорожденной эллиптической галактики: «10 миллионов Туманностей Ориона».

Действительно, цвета близких эллиптических галактик очень красные, и они свидетельствуют в пользу того, что все звездообразование в этих галактиках закончилось в первый миллиард лет их жизни. Между тем самые крупные из них содержат до 1012 М☉ звезд. Разделив одно на другое, получаем на заре формирования эллиптической галактики темп звездообразования (SFR, Star Formation Rate) до 1000 М☉ в год! Для сравнения - в современных крупных спиральных галактиках в среднем SFR ≈ 1М☉ в год.

Спектрофотометрические модели предсказывают, что при текущем SFR ≈ 1000 М☉ в год галактика должна быть очень яркой - примерно как квазар, т. е. на 4 звездные величины ярче, чем сегодня, - а также голубой и с мощной эмиссионной линией водорода Lyα в спектре.

Вот таких «зверей» и искали весьма активно на небе в 1970–1980-е годы, сначала с фотографической техникой, а потом уже и с помощью ПЗС-приемников. К 1978 году был закончен первый глубокий подсчет галактик Крона: он считал их в двух фильтрах, голубом и красном, и обнаружил, что в B-лучах слабых галактик 23–24-й звездной величины гораздо больше, чем можно было предсказать, исходя из парадигмы пассивной эволюции, т. е. из предположения, что на любом z галактики такие же и в том же количестве, что и рядом с нами.

Этот результат вдохновил Тинсли: она произвела необходимые модельные расчеты и объявила, что среди «избыточных» слабых голубых галактик Крона должно быть много далеких, на z > 3, эллиптических галактик в момент их основной эпохи звездообразования.

Она не дожила до результатов массовой спектроскопии слабых голубых галактик; всем остальным заинтересованным исследователям эти результаты принесли разочарование: «избыточные» слабые голубые галактики оказались все на z

Рис. 1.7 иллюстрирует технику поиска LBG-галактик, в данном случае на z = 7: в фильтре i (λc = 7500 Å) галактики не видно, а в фильтре J (11 000 Å) и в более красных она видна превосходно - значит, с большой долей вероятности это Ly-break галактика на z ≈ 7.

В основном благодаря усилиям Чарльза Стейделя (Steidel, 1999) сейчас известно уже несколько тысяч таких объектов и подведены первые статистические итоги. Так, по своим свойствам, в том числе и по характерной светимости (а значит, скорее всего, и по массе), LBG-галактики на z = 3, z = 4 и z = 5 идентичны друг другу. Это означает, что процесс формирования звездного населения в этих галактиках был достаточно затяжным. В спектрах половины LBG-галактик вовсе не оказалось Lyα-эмиссии, а в остальных она весьма скромная; да и темпы звездообразования, оцененные по потоку в ультрафиолете (в системе галактики), оказались в среднем весьма умеренными, от 8 до 25 М☉ / год, что согласуется с идеей о большой продолжительности у них эпохи звездообразования. Есть предположение, что LBG-галактики - это будущие балджи современных дисковых галактик ранних типов; впрочем, доказать это трудно. Любопытно, что после того как была оценена средняя плотность на небе пересчитанных на довольно больших площадях LBG-галактик, выяснилось, что в HDF-N количество LBG-галактик в несколько раз меньше среднеожидаемого (Steidel et al., 1996b). То есть в плане средней эволюции галактик на больших z Северное глубокое поле «Хаббла» оказалось совершенно нетипичным, что неудивительно, учитывая его малые размеры. Тогда насколько же репрезентативна статистика морфологических типов галактик, которую астрономы с энтузиазмом изучают по глубоким полям «Хаббла» в течение уже многих лет?!

Астрофизик, доктор физико-математических наук, заведующая отделом физики эмиссионных звезд и галактик Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга МГУ им. М.В. Ломоносова – Ольга Касьяновна Сильченко.

> Эволюция галактик

Рождение и эволюция галактик : стадии развития от Большого Взрыва, формирование, слияние, смерть, схема эллиптических и спиральных галактик, фото Хаббла, видео.

Если вам повезет с погодными условиями, то можете с легкостью любоваться всей красотой Млечного Пути. Многие века ученые не отрывали глаз от ночного неба, осознавая, что – лишь крошечная деталь, которыми усеяна Вселенная. С появлением новых технологий стало ясно, что и галактика – это не конец всему, ведь он является одним из миллиардов галактик.

Огромный сдвиг в знаниях произошел с обнаружением относительности и скорости света. Ведь это позволило понять, что мы видим не просто космическую даль, а как бы оглядываемся в прошлое. Когда перед вами возникает объект в миллиарде световых лет, вы видите его таким, каким он был миллиард лет назад. Эта «машина времени» помогла познакомиться с галактической эволюцией .

Все объекты берут свое начало от Большого Взрыва, разрастаясь и меняясь со временем. Этот процесс все еще окутан легкой дымкой таинственности, поэтому манит ученых.

Первая стадия эволюции галактики - формирование

С чего начинается эволюция галактики? Вселенская материя появилась 13.8 миллиардов лет назад в момент Большого Взрыва. В тот временной отрезок она была настолько упакована и сжата, что представляла собою небольшой шар с неисчислимой плотностью и интенсивным теплом – сингулярность. Внезапно запустился процесс расширения, и сингулярность стала увеличивать свои «границы».

Чем больше Вселенная расширялась, тем сильнее остывала. Поэтому у материи появилась возможность распределиться практически равномерно. Дальше гравитация стала притягивать плотные области, накапливая газовые облака и большие скопления, которые и стали древними галактиками (родились первые звезды). Некоторые из них были маленькими и трансформировались в карликовые галактики, другие (покрупнее) – спиральные.

Вторая стадия эволюции галактики - слияние

Проследим дальнейшее развитие галактик. Полноценные галактики объединялись в группы, скопления и . В масштабах родной группы они могли подойти на достаточно близкое расстояние, чтобы запустить процесс слияния. Результат всегда зависит от массы.

В стандартном сценарии маленькие присоединяются к крупным («съедаются»). Не так давно и Млечный Путь «пообедал» несколькими карликовыми галактиками, присоединив их звезды к себе. Интересно наблюдать за столкновением одинаково крупных галактик, которые в конце трансформируются в гигантские эллиптические типы.

Две галактики сплелись в своем "смертельном танце"

В момент галактического столкновения их спиральная структура рушится, поэтому позволяет перейти на новый уровень. Эллиптические считаются крупнейшими в своем виде. Кроме того, при слиянии увеличиваются и центральные сверхмассивные черные дыры.

Правда, здесь стоит отметить, что не во всех случаях все заканчивается появлением эллиптической галактики. Полагают, что некий контакт уже сейчас происходит между нашей галактикой и . Даже больше, оказывается, что Карликовая галактика в Большом Псе уже стала частью Млечного Пути.

Хотя сам процесс слияния воспринимается как нечто серьезное, звезды расположены на больших дистанциях, поэтому катастрофические взрывы и столкновения бывают редко. Но в этом процессе формируются волны ударной гравитации, которые приводят к появлению новых звезд. Это то, чего стоит ожидать через 4 миллиарда лет, когда Млечный Путь и столкнутся.

Третья стадия эволюции галактики - гибель

Эволюция галактики однажды завершится, ведь у всего есть начало и конец. Приходит время, когда в галактике заканчивается пыль и газ. А ведь это главный материал для появления новых звезд. Миллиарды лет активность замедляется, пока все не остановится полностью. Но это еще не смерть, так как галактика способна найти соседа и слиться с ним, чтобы запустить новый процесс.

Полагают, что Млечный Путь истратил большую часть «звездного топлива» и теперь замедляет свою активность. Звезды вроде Солнца живут примерно 10 миллиардов лет. Но карлики способны продержаться до нескольких триллионов. Переживать не стоит, ведь столкновение Млечного Пути с Андромедой продлит существование нашей галактики.

По прогнозам, однажды все галактики в этом участке объединятся в одного эллиптического гиганта. Ученые могут наблюдать подобный результат уже сейчас (например, ). Эти галактики уже исчерпали газовые запасы. В итоге, звезды постепенно будут отдаляться, пока все пространство не достигнет фоновой температуры.

Когда у нашей галактики закончатся соседи, то она присоединится к той же участи. Сама же галактическая эволюция длится больше миллиарда лет и пока до конца еще очень далеко.

Эволюция галактик

Чтобы глубже вникнуть в процесс эволюции галактик, посмотрите интересно видео. Астрофизик Анатолий Засов о различии близких и далеких галактик, трансформации и пределе их возраста:

Открылась бездна звезд полна;
Звездам числа нет, бездне дна...
М. В Ломоносов

Как и когда образовались галактики? Какой механизм ответствен за образование галактик и звезд? Может ли стать звездой Юпитер? Как образуются планетные системы?

Урок-лекция

ФОРМИРОВАНИЕ ГАЛАКТИК . Проблемой происхождения отдельных небесных тел и их систем занимается область астрономической науки, которая называется космогонией . Миллиарды галактик , огромных космических звездных систем массой от 10 5 до 10 14 масс Солнца со средней плотностью вещества в них 10 -24 г/см 3 , являются основными единицами крупномасштабной структуры Вселенной.

В начале XX в. английский астроном сэр Джеймс Джинс предложил модель формирования галактик из облаков газа, связанную с гравитационной неустойчивостью вещества. Согласно этой модели, если в однородном по плотности газе ранней Вселенной случайно обнаружится сгущение, то оно под действием сил гравитации будет сжиматься, обособляться от окружающей среды.

Процессы гравитационного обособления вещества Вселенной стали возможны только после того, как Вселенная в результате расширения охладилась до 4000 К, прошел процесс рекомбинации, вещество стало нейтральным, излучение перестало взаимодействовать с веществом и препятствовать гравитационному сжатию. Это случилось примерно через миллион лет после Большого взрыва. Изучая галактики, находящиеся на разных от нас расстояниях (в миллионы и даже миллиарды световых лет), астрономы фактически имеют возможность исследовать галактики разного возраста. Гравитационное сжатие первоначальной неоднородности происходит до тех пор, пока силы гравитации не компенсируются другими силами: давления, центробежными, связанными с вращением. При этом галактика стабилизируется. Таким образом, формирование звезд происходит в уже обособленных галактиках.

ОБРАЗОВАНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД . В первоначально однородной галактической среде могли образовываться гравитационные неустойчивости: случайно возникшие уплотнения газа массой более 10 5 масс Солнца под действием гравитации сжимаются и обособляются, распадаются на фрагменты, которые постепенно приобретают сферическую форму. Из них и рождаются звезды.

Сначала сжатие возникшей протозвезды происходит изотермически (при постоянной температуре), затем температура газа возрастает. Сжатие продолжается до тех пор, пока возрастающие силы давления, зависящие от температуры и плотности, не уравновесят силы гравитации. В этом случае возникает состояние гидростатического равновесия . Первый этап эволюции звезды зависит от ее массы и может длиться от нескольких сотен тысяч до нескольких сотен миллионов лет.

Если в центре протозвезды температура превысит несколько миллионов кельвинов, а давление - несколько миллиардов атмосфер, что самопроизвольно может случиться только с объектом массой не меньше 0,01 массы Солнца, в недрах звезды начнутся реакции термоядерного синтеза. Тогда звезду уже можно назвать нормальной звездой Этот этап самый длительный, хотя и его длительность зависит от массы звезды: он может длиться от 10 млн до 10 млрд лет. Маломассивные звезды, например с массой 0,1 массы Солнца,-долгожители. Они могут оставаться в состоянии равновесия на стадии нормальной звезды сотни миллиардов лет. В ядрах звезд идет превращение водорода в гелий и более тяжелые элементы (вплоть до железа в массивных звездах). Когда «горючее» (например, водород) звезды заканчивается, наступают последние стадии эволюции звезды, которые можно сравнить со старением и смертью.

Если масса звезды сравнима с массой Солнца, то по мере выгорания водорода центральные области звезды сжимаются, формируя горячее плотное ядро (средняя плотность около 10 9 кг/м 3). Оболочка звезды при этом раздувается, и в течение сотен тысяч лет со стороны такая звезда будет выглядеть красным гигантом, размерами с орбиту Юпитера. Потом оболочка будет сброшена, и маленький, с Землю, белый карлик будет медленно остывать в течение 10 12 лет. Такая судьба ожидает наше Солнце.

Если масса звезды не превосходит пяти масс Солнца, то она также сначала превратится в красный гигант размером в несколько десятков радиусов Солнца, а затем сбросит оболочку, которую можно будет наблюдать как планетарную туманность. Оставшаяся масса звезды (ее центральные зоны) превращается в белый карлик, который светит за счет накопленного тепла, остывает и в конце концов превращается в темный, так называемый коричневый карлик.

Массивные звезды на последней стадии своей эволюции становятся экзотическими объектами - нейтронными звездами или черными дырами . Сначала звезды массой больше пяти масс Солнца превращаются в красные сверхгиганты с радиусом в сотни радиусов Солнца, а затем взрываются. Наблюдается так называемая вспышка сверхновой звезды. Звезда начинает светиться, как миллиарды отдельных звезд (рис. 95). Повышенная яркость наблюдается десятки дней. При этом температура плазмы звезды при такой вспышке достигает миллиарда кельвинов. В этом котле синтезируются все химические элементы тяжелее железа. Ббльшая часть вещества звезды разбрасывается в межзвездное пространство, обогащая его тяжелыми химическими элементами. Из обогащенной межзвездной среды образуются звезды следующих поколений. На месте взрыва может остаться либо нейтронная звезда, если масса остатка не превосходит 2,5 масс Солнца, либо черная дыра, если масса превосходит это значение.

Рис. 95. Крабовидная туманность - остаток вспышки сверхновой звезды

ОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ . Согпасно современным представлениям, рождение Солнца и рождение планет - это единый процесс. Все объекты Солнечной системы сформировались из газопылевой туманности в результате гравитационной неустойчивости. По одной из гипотез, сжатие этой туманности было стимулировано ударными волнами, возникшими в результате взрыва сверхновой звезды, произошедшего вблизи Солнечной системы. Сжатие центральной части облака привело к образованию Солнца, а на периферии вращающегося и становящегося из-за этого все более плоским облака начали формироваться планеты. При этом строительным материалом планет служили относительно небольшие твердые куски вещества. Сталкиваясь, многие из них слипались, увеличиваясь в размерах, или разрушались. Крупные куски притягивали к себе мелкие. В результате примерно за 100 мпн лет вокруг Солнца образовались и Земля, и другие планеты, а также их спутники, астероиды, кометы.

Астрономы обнаружили десятки других планетных систем. Не все они похожи на нашу Солнечную систему. У большинства обнаруженных планетных систем большие планеты с массой, как у Юпитера, находятся по непонятным пока причинам вблизи центральной звезды, а не на периферии.

Основными процессами, связанными с эволюцией галактик, звезд, планетных систем, управляет гравитация. Сжатие обьектов прекращается, когда уравновешиваются силы гравитации и давления. В недрах нормальной звезды идут реакции термоядерного синтеза. Конечными стадиями эволюции звезд в зависимости от их массы могут стать белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры. Газовые и газопылевые туманности, обладающие моментом вращения, порождают вращающиеся, достаточно плоские системы (спиральные галактики, планетные системы и др.)

• К каким последствиям может привести ситуация гравитационной неустой чивости массивных газовых облаков?
• При каких условиях прекращается сжатие протозвезды?
• Что такое нормальная звезда?
• Может ли стать звездой Юпитер, если его масса в тысячу раз меньше массы Солнца?

Идея о том, что наша Галактика не заключает в себя весь звездный мир и существуют другие, сходные с ней звездные системы, впервые была высказана учеными и философами в середине 18 в. (Э.Сведенборг в Швеции,И.Кант в Германии, Т.Райт в Англии). На небе другие звездные системы выглядят как далекие гигантские скопления звезд. Естественно было предположить, что такими «внешними» галактиками являются светлые туманные пятна низкой яркости, открытые астрономами на небе, когда в их распоряжении появились достаточно крупные телескопы. Английский астроном В.Гершель в конце 18 в. смог с помощью построенного им большого телескопа первым «разложить» на отдельные звезды некоторые из таких туманностей. Впоследствии оказалось, что они являются звездными скоплениями, которые принадлежат нашей Галактике. Другие же туманности (включая большую Туманность Андромеды) не разрешались на звезды, и было неизвестно, относятся ли они к нашей Галактике или лежат за ее пределами. Позднее, в конце 19 в., выяснилось, что природа наблюдаемых светлых пятен вообще не одинакова, некоторые из них, действительно, могут быть далекими звездными скоплениями, а другие имеют спектр, характерный для газа, а не для звезд, а, значит, являются облаками нагретого межзвездного газа.

В середине 19 в. было впервые обнаружено наличие спиральной структуры у некоторых туманностей (лорд Росс, Великобритания). Но их звездная природа еще долгое время оставалась недоказанной.

На помощь пришла фотография. В начале 20 в. американскому астроному Дж.Ричи с помощью нового телескопа с диаметром 1,5 м на обсерватории Маунт Вильсон впервые удалось, используя длинные экспозиции, получить фотографии нескольких туманных пятен (включая туманности в Андромеде и в Треугольнике) такого высокого качества, что на них можно было рассмотреть изображения большого числа очень слабых звезд. Но поскольку никто не мог сказать, к каким типам принадлежат эти звезды, открытие Ричи не решило вопрос о расстоянии, а значит, и о природе исследуемых объектов. Окончательно этот проблема была решена в 1924, когда американский астроном Э.Хаббл , проводя наблюдения на новом инструменте – 2,5-метровом рефлекторе, обнаружил в туманностях Андромеды и Треугольника звезды знакомого типа – цефеиды (см . ЗВЕЗДЫ).

Расстояние до этих переменных звезд астрономы уже умели определять по характерной для них зависимости «период–светимость». И хотя впоследствии выяснилось, что полученные Хабблом расстояния более чем вдвое меньше действительных, его оценки убедительно показали, что наблюдавшиеся звездные системы находятся далеко за пределами нашей Галактики. С этого времени стало возможным говорить о рождении нового раздела науки – внегалактической астрономии.

Невооруженному глазу доступно всего три галактики – туманность Андромеды в северном полушарии и Большое и Малое МагеллановыОблака – в южном. Магеллановы облака являются самыми близкими к нам галактиками: расстояние до них ок. 150 тыс. св. лет.

Пространство между галактиками прозрачно, что позволяет наблюдать очень далекие объекты. Современным крупным телескопам потенциально доступны для наблюдения более миллиарда далеких галактик, однако, большинство из них едва заметны и видны лишь как крошечные пятнышки размером в несколько угловых секунд, часто по виду с трудом отличимые от слабых звезд нашей Галактики. Поэтому современные представления о галактиках основаны на изучении нескольких десятков тысяч сравнительно близких объектов, которые могут быть исследованы более детально.

Первый каталог, содержащий информацию о положении на небе более ста туманных пятен, был составлен французским астрономом, специализировавшимся на поиске комет, Шарлем Мессье в 18 в. Большинство зарегистрированных им пятен впоследствии оказалось галактиками, остальные – светлыми газовыми туманностями и звездными скоплениями нашей Галактики. Объекты Мессье до сих пор обозначаются номерами его каталога (например, туманность Андромеды имеет обозначение М31). Одним из более обширных каталогов, номерами из которых часто обозначают галактики, является New General Catalogue (NGC), основы которого заложили английские астрономы Вильям Гершель и его сын Джон Гершель. Вместе с добавлением к нему (Index Catalogues, или IC) каталог NGC содержит координаты более 13 тыс. объектов.

Работа по составлению более подробных каталогов галактик была существенно расширена несколькими изданиями Реферативного каталога ярких галактик Ж. де Вокулера с сотрудниками. Более обширные, но менее информативные каталоги, основанные на просмотре фотографических пластинок Обзора неба, полученных на 1,2-метровой камере Шмидта Паломарской обсерватории, были опубликованы еще ранее Ф.Цвикки в США (Каталог Цвикки), П.Нильсоном в Швеции (каталог UGC) и Б.А.Воронцовым-Вельяминовым в СССР (Морфологический каталог галактик). Они содержат координаты, звездные величины, угловые размеры и некоторые другие параметры для нескольких десятков тысяч галактик приблизительно до 15-й звездной величины. Позднее был проведен аналогичный обзор и для южного неба – по фотографиям, полученным с помощью широкоугольных камер Шмидта Европейской южной обсерватории в Чили и в Австралии. Со временем появились многочисленные более специализированные атласы и каталоги галактик, обладающих теми или иными свойствами, в том числе составленные по наблюдениям в радио, рентгеновском или инфракрасном диапазонах спектра.

Одна и та же галактика под различными номерами может входить в разные каталоги. За исключением небольшого числа объектов, галактики не имеют собственных имен. Каждой соответствует цифровое обозначение, перед которым, как правило, стоит аббревиатура (сокращенное до нескольких букв название) соответствующего каталога. Обозначения галактик по разным каталогам вместе с обширной информацией об их наблюдаемых свойствах можно найти, например, в базе данных НАСА по внегалактическим объектам на сайте.

ОБЩИЕ СВОЙСТВА ГАЛАКТИК

Галактики – сложные по составу и структуре системы. Самые маленькие из них по числу звезд сопоставимы с большими звездными скоплениями в нашей Галактике, однако по размерам они значительно их превосходят: диаметр даже самых маленьких галактик составляет несколько тысяч св. лет. Размеры гигантских галактик в сотни раз больше.

Галактики не имеют резких границ, их яркость постепенно спадает с удалением от центра наружу, поэтому понятие размера не является строго определенным. Видимый размер галактик зависит от возможности телескопа выделить их внешние области, имеющие низкую яркость, на фоне свечения ночного неба, которое никогда не бывает абсолютно черным. В его слабом свете «тонут» периферийные части галактик. Современная техника позволяет регистрировать области галактик с яркостью менее 1% от яркости ночного неба. Для объективной оценки размеров галактик за их границу условно принимается определенный уровень поверхностной яркости, или, как говорят, определенная изофота (так называют линию, вдоль которой поверхностная яркость имеет постоянное значение). Часто в качестве такого порогового значения яркости принимается 25 звездная величина с квадратной угловой секунды в фотографической области спектра. Соответствующая ей яркость в десятки раз ниже яркости ночного, ничем не «подсвеченного» неба. Яркость центральных областей галактик может быть в несколько сотен раз выше порогового значения.

Светимость галактик (т.е. полная мощность излучения) меняется в еще больших пределах, чем их размер – от нескольких миллионов светимостей Солнца (L c) у самых маленьких галактик до нескольких сотен миллиардов L c для галактик-гигантов. Эта величина примерно соответствует общему количеству звезд в галактике или ее полной массе. Светимость галактик такого типа как наша Галактика составляет несколько десятков миллиардов светимостей Солнца. Однако у одной и той же галактики она может сильно различаться в зависимости от диапазона спектра, в котором ведется наблюдение. Поэтому очень важную роль в изучении галактик играют наблюдения в различных интервалах длин волн. Вид галактик неузнаваемо меняется при переходе от одного спектрального диапазона к другому – от радиоволн к гамма-лучам. Это связано с тем, что основной вклад в излучение галактик на различных длинах волн вносят объекты различной природы.

Таблица: Спектральный диапазон

Спектральный диапазон	Объекты, дающие основной вклад в излучение галактики	Примечание
Гамма	Активные ядра некоторых галактик. Источники, дающие одиночные короткие всплески излучения, по-видимому, связанные с компактными звездами (нейтронными звездами, черными дырами)..	Излучение галактик в этом диапазоне редко наблюдается. Оно регистрируется только за пределом атмосферы.
Рентгеновский	Горячий газ, заполняющий галактику. Активные ядра некоторых галактик. Отдельные источники, связанные с тесными двойными звездными системами с перетеканием вещества на компактную звезду.	Излучение принимается только за пределом атмосферы.
Ультрафиолетовый	Наиболее горячие звезды (в галактиках, где происходит звездообразование, это – голубые сверхгиганты). Активные ядра некоторых галактик.	Излучение особенно сильно в галактиках с интенсивным звездообразованием.
Область видимого света	Звезды с различной температурой. Светлые газовые туманности.	В этом диапазоне большинство галактик излучает основную энергию.
Ближний инфракрасный	Наиболее холодные звезды (красные сверхгиганты, красные гиганты, красные карлики).	Светимость галактики в этом диапазоне наиболее точно характеризует полную массу содержащихся в ней звезд.
Далекий инфракрасный	Межзвездная пыль, нагретая излучением звезд. Активные ядра и околоядерные области некоторых галактик.	Излучение особенно сильно в галактиках с интенсивным звездообразованием. Регистрируется только за пределом атмосферы.
Радио	Высокоэнергичные электроны, изучающие в межзвездном магнитном поле. Холодный (атомарный, молекулярный) межзвездный газ, излучающий на определенных частотах. Активные ядра некоторых галактик.	Излучение дает основную информацию о холодном межзвездном газе галактики и о магнитных полях в межзвездном пространстве.

Массы галактик, как и их светимости, также могут различаться на несколько порядков – от значений, характерных для крупных шаровых звездных скоплений (миллионы масс Солнца) до тысячи миллиардов масс Солнца у некоторых эллиптических галактиках.

Галактики – это прежде всего звездные системы; именно со звездами связано их оптическое излучение. Пространственно звезды образуют два основных структурных компонента галактики, как бы вложенных один в другой: быстро вращающийся звездный диск, толщина которого обычно составляет 1–2 тыс. св. лет, и медленно вращающуюся сферическую (или сфероидальную) составляющую, яркость которой концентрируется не к плоскости диска, а к центру галактики. Внутренняя, наиболее яркая часть сферодального компонента называется балдж (от англ. bulge – вздутие), а внешняя часть низкой яркости – звездное гало. В центральной части массивных галактик часто выделяется небольшой и быстро вращающийся околоядерный диск размером порядка тысячи св.лет, который также состоит из звезд и газа. Такая структурность галактик отражает сложный многоступенчатый характер их формирования. Есть галактики, в которых наблюдается только один из двух основных компонентов: диск или сфероид.

Помимо звезд с разными массами, химическим составом и возрастом, каждая галактика содержит разреженную и слегка намагниченную межзвездную среду (газ и пыль), пронизываемую высокоэнергичными частицами (космическими лучами). Относительная масса, приходящаяся на долю межзвездной среды, как и мощность радиоизлучения, также относятся к важнейшим наблюдаемым характеристикам галактик. Полная масса межзвездного вещества сильно меняется от одной галактики к другой и обычно составляет от нескольких десятых долей процента до 50% суммарной массы звезд (в редких случаях газ может даже преобладать по массе над звездами). Содержание газа в галактике – это очень важная характеристика, от которой во многом зависит активность происходящих в галактиках процессов и, прежде всего, – процесс образования звезд.

МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ И СТРУКТУРА ГАЛАКТИК

Многообразие наблюдаемых форм галактик вызвало у астрономов желание объединить похожие объекты и разбить галактики на ряд классов по их внешнему виду (по морфологии). В основе наиболее часто используемой морфологической классификации галактик лежит схема, предложенная Э.Хабблом в 1925 и развитая им в 1936. Галактики разделяются на несколько основных классов: эллиптические (Е), спиральные (S) линзовидные (S0) и неправильные (Irr).

E-галактики выглядят как эллиптические или овальные пятна, не слишком сильно вытянутые, яркость внутри которых плавно уменьшается с расстоянием от центра. Заметный диск в них отсутствует, хотя точные фотометрические измерения в некоторых случаях позволяют заподозрить его существование. Следы пыли или газа в них также редко встречаются. По степени сплюснутости Е-галактики разделяются на несколько подклассов – от Е0 (круглые) до Е6 (вытянутые). Цифра, стоящая после буквы «Е», характеризует видимую сплюснутость галактики. Она примерно равна отношению 10·(a–b)/a, где a и b – соответственно большая и малая оси эллипса, описывающего галактику.

В спиральных (S) галактиках выделяется центральное сгущение звезд – «балдж», и протяженный звездный диск, в котором (если он только не повернут к наблюдателю «ребром») наблюдаются спиральные ветви. Различают спиральные галактики без перемычки и с перемычкой. В последнем случае в центральной части галактики звезды образуют вытянутую структуру – бар, за пределами которого начинаются спиральные ветви. Такие галактики обозначаются SB. На фотографиях, полученных в лучах видимой части спектра, бары заметны не менее чем у трети всех S-галактик. В инфракрасных лучах их можно выявить у еще большего числа галактик.

Спиральные галактики также делятся на подклассы: Sa, Sb, Sc, Sd, а для галактик с баром – SBa, SBb, SBc, SBd. Вдоль последовательности от а до d уменьшается яркость балджа, а спиральные ветви становятся все более клочковатыми, более «развернутыми» и менее четкими по форме. У спиральных галактик, наблюдаемых с ребра, спиральные рукава не видны, но тип галактики можно установить по относительной яркости балджа и диска.

Между типами Е и S находится тип линзовидных галактик (S0). Как и S-галактики, они обладают звездным диском и балджем, но в них нет спиральных ветвей (хотя бар может быть). Считается, что это галактики, которые в далеком прошлом были спиральными, но к настоящему времени почти полностью «потеряли» или израсходовали межзвездный газ, а вместе с ним – и способность образовывать яркие спиральные ветви.

Irr-галактики не обладают упорядоченной структурой, в них нет спиральных ветвей, хотя они и содержат внутри себя яркие области различных размеров (как правило, это области интенсивного звездообразования). Балдж в этих галактиках очень мал или совсем отсутствует.

Несколько процентов наблюдаемых галактик не укладывается в описанную классификационную схему, их называют пекулярными. Обычно это галактики, форма которых искажена сильным взаимодействием с соседними галактиками, или же обладающие необычной структурой – например, полярным кольцом, вращающимся в плоскости, перпендикулярной плоскости звездного диска.

В отдельную группу выделяются карликовые галактики – небольшие по размеру, светимость которых в тысячи раз меньше, чем у таких галактик как наша или туманность Андромеды. Это самый многочисленный класс галактик, но из-за низкой светимости их трудно обнаружить на большом расстоянии. Размер карликов обычно не превосходит нескольких килопарсек (см . ПАРСЕК). Среди них также встречаются эллиптические dE, спиральные dS (очень редко), и неправильные (dIrr). Буква d (от английского dwarf – карлик) обозначает принадлежность к карликовым системам.

Было также обнаружено два типа карликов, которые практически не имеют аналогов среди галактик высокой светимости. Это – карликовые сфероидальные системы (dSph) и карликовые голубые компактные галактики (dBCG). Первые похожи на шаровые звездные скопления, увеличенные по объему в тысячи раз. Такие галактики – рекордсмены по низкой поверхностной яркости среди карликов, которая даже во внутренней области галактик часто бывает значительно ниже яркости темного ночного неба. Несколько галактик dSph являются спутниками нашей Галактики. В отличие от них галактики dBCG имеют высокую поверхностную яркость при небольшом линейном размере, а их голубой цвет свидетельствует об интенсивно происходящем звездообразовании. Эти объекты особенно богаты газом и молодым звездами.

Различие меду галактиками разных типов объясняется как различными условиями формирования, так и эволюционными изменениями, произошедшими за миллиарды лет их жизни.

ОЦЕНКА РАССТОЯНИЙ ДО ГАЛАКТИК

Многие характеристики галактик, такие как светимость, линейные размеры, масса газа и звезд, период вращения, невозможно оценить, если не известно расстояния до них. Не существует универсального метода определения расстояний до галактик. Одни способы используются для сравнительно близких, другие – для очень далеких объектов. Наиболее разнообразны методы оценки расстояний до сравнительно близких галактик, в которых можно наблюдать и исследовать отдельные яркие объекты. В качестве таких объектов обычно используются звезды, обладающие высокой светимостью: цефеиды, ярчайшие сверхгиганты или гиганты (их легко различить по цвету), но часто привлекаются и другие образования: звездные скопления (см . ЗВЕЗДЫ), планетарные туманности (см . ТУМАННОСТИ), а также новые звезды в максимуме блеска. Характеристики этих объектов считаются известными, например, по аналогии с подобными объектами нашей Галактики. Самый точный метод связан с использованием цефеид, поскольку светимости этих звезд могут быть получены по хорошо установленной зависимости «период-светимость». Для определения расстояний проводятся фотометрические измерения видимых звездных величин (видимой яркости) объектов в тех или иных галактиках. Затем полученные оценки сопоставляются со светимостью выбранных объектов (или их абсолютной звездной величиной); при этом обязательно вводится поправка на межзвездное поглощение света. В итоге это позволяет оценить, насколько далеко от нас находится галактика.

Если m – видимая звездная величина объекта, исправленная за межзвездное поглощение, а М – его известная абсолютная звездная величина, то логарифм расстояния D до этого объекта, выраженного в мегапарсеках, определяется по формуле:

lg D = 0,2(m – M) – 5.

Для перевода расстояния в миллионы световых лет его значение в мегапарсеках надо умножить на 3,26.

Эффективным оказался и метод определения расстояний не по отдельным объектам, а по оценке параметров мелкой ряби (флуктуаций поверхностной яркости) на видимом изображении галактик, которая обусловлена звездами, не разрешаемыми по отдельности. Но все эти методы достаточно грубы и в применении к индивидуальным галактикам могут давать большую ошибку.

Ярчайшие звезды, пригодные для оценки расстояний, даже с помощью крупнейших телескопов наблюдаются в галактиках, удаленных не более чем на несколько десятков миллионов световых лет (шаровые скопления – несколько дальше). Исключение составляют сверхновые звезды , их можно запечатлеть на любых расстояниях, с которых видны галактики. Их тоже используют для оценки расстояний, однако, они вспыхивают в галактиках редко и не прогнозируемым образом. Поэтому для более далеких галактик разработаны другие подходы. Например, предполагают, что заранее известна светимость или линейный размер галактик определенного типа (это очень грубый метод). Более точные оценки опираются на статистически установленные зависимости, связывающие светимость галактик с какой-либо непосредственно измеряемой величиной, характеризующей галактику (скорость вращения, ширина спектральных линий, принадлежащих звездам, или линий излучения межзвездного газа в радиодиапазоне). Но чаще всего расстояние до далеких галактик определяют по зависимости Хаббла «красное смещение спектральных линий – расстояние». Этот метод (метод красного смещения) основан на измерении сдвига линий в спектре галактики, обусловленного расширением Вселенной. Открытая эмпирически зависимость Хаббла получила надежное обоснование в теории расширяющейся Вселенной. Однако, для калибровки эмпирических зависимостей все равно требуются сравнительно близкие галактики, для которых расстояния находят по индивидуальным объектам. Поэтому определить, во сколько раз одна галактика дальше другой, можно значительно точнее, чем оценить расстояние до каждой из них. В целом, точность оценки расстояний не превышает 10–15%, а в отдельных случаях она значительно ниже.

СОСТАВ ГАЛАКТИК

Межзвездные газ и пыль.

Распределение газа в галактике может сильно отличаться от распределения звезд. Иногда газ прослеживается до значительно больших расстояний от центра галактики, чем звезды, наглядно демонстрируя, что галактика может продолжаться дальше своих оптических границ. Относительная доля массы, приходящаяся на межзвездный газ, в среднем растет от Е- к Irr-галактикам. Для таких галактик, как наша, она составляет несколько процентов, а в Е-галактиках газа содержится менее 0,1% (хотя есть и исключения из этого правила).

Межзвездный газ состоит, в основном, из водорода и гелия с небольшой примесью более тяжелых элементов. Эти тяжелые элементы образуются в звездах и вместе с газом, теряемым звездами, оказываются в межзвездном пространстве. Поэтому содержание тяжелых элементов важно знать для изучения эволюции галактики.

В спиральных галактиках газ концентрируется к плоскости звездного диска, а внутри диска его плотность больше всего в спиральных ветвях, а также в центральной области галактики. Но газ наблюдается и в эллиптических галактиках, где нет ни звездных дисков, ни спиральных ветвей. В этих галактиках газ представляет собой горячую разреженную среду, заполняющую весь объем звездной системы. Из-за высокой температуры (сотни тысяч градусов Кельвина) его можно наблюдать в рентгеновских лучах.

Газ в S- и Irr-галактиках находится в трех основных состояниях, или фазах. Во-первых, это облака холодного (менее 100 К) молекулярного газа. Такой газ не излучает света, но его присутствие позволяет обнаружить радионаблюдения, поскольку различные молекулы в разреженной среде излучают на определенных, хорошо известных длинах волн. Именно в облаках холодного газа зарождаются звезды. Во-вторых, это атомарный, или нейтральный, газ, образующий облака и более разреженную межоблачную среду. Такой газ также не излучает света. Атомарный водород был открыт по радиоизлучению на частоте 1420 МГц (длина волны 21 см). Как правило, в этом состоянии находится основная масса межзвездного газа. В-третьих, в лучах видимого света обычно наблюдаются многочисленные яркие области, образованные газом, ионизованным ультрафиолетовым излучением звезд и нагретым до температуры около 10 000 К. Это области ионизованного газа. Как правило, источником нагрева и ионизации являются молодые массивные звезды, поэтому большое количество ионизованного газа свидетельствует об интенсивном звездообразовании в галактике.

В газовой среде межзвездного пространства содержится и мелкодисперсный твердый компонент – межзвездная пыль. Она проявляет себя двояко. Во-первых, пыль поглощает видимый и ультрафиолетовый свет, вызывая общее ослабление яркости и покраснение галактики. Наиболее непрозрачные (из-за пыли) участки галактики видны как темные области на светлом ярком фоне. Особенно много непрозрачных областей вблизи плоскости звездного диска – именно там концентрируется холодная межзвездная среда. Поэтому, если смотреть на диск галактики «с ребра», то обычно бывает хорошо заметна пылевая полоса, пересекающая галактику по диаметру. Во-вторых, пыль излучает сама, отдавая накопленную энергию света в форме далекого инфракрасного излучения (в диапазоне длин волн 50–1000 мкм). Поэтому полная энергия излучения пыли бывает сопоставима с энергией видимого излучения, приходящего к нам от всех звезд галактики. Суммарная масса пыли сравнительно невелика: она в несколько сотен раз меньше, чем полная масса межзвездного газа. Особенно мало пыли в Е-галактиках, где холодный газ также практически отсутствует; а также в карликовых галактиках, где газа может быть много, но среда содержит мало тяжелых элементов, необходимых для формирования пылинок. Пыль в галактиках является продуктом эволюции звезд.

Звездное население и возраст галактик.

Звезды отличаются друг от друга по массе, возрасту и химическому составу. В каждой галактике могут находиться звезды с различными характеристиками: массивные и маломассивные, молодые и старые. Процент давно образовавшихся (старых) звезд с возрастом в миллиарды лет и звезд, которые можно условно назвать молодыми (с возрастом менее ста миллионов лет) сильно меняется от одной галактики к другой. Хотя старые звезды присутствуют в галактиках всех типов, вдоль морфологической последовательности галактик – от E к Irr – относительное количество молодых звезд в среднем растет.

В Е-галактиках за редчайшими исключениями молодые звезды практически отсутствуют. Спектр и цвет галактик этого типа свидетельствует о том, что они в основном состоят из звезд, возникших более 10 млрд. лет назад. Самые яркие звезды Е-галактик – красные гиганты.

В спиральных и неправильных галактиках есть и старые, и молодые звезды. Самые яркие из них – голубые сверхгиганты, возраст которых не превышает нескольких десятков миллионов лет.

Наибольшее количество молодых звезд наблюдается в некоторых редко встречающихся галактиках со вспышкой звездообразования. Как правило, они относятся к типам Irr или dBCG, но ими могут быть и S-галактики. Молодые массивные звезды придают этим системам голубоватый цвет. Примером сравнительно близкой к нам спиральной галактики со вспышкой звездообразования является NGC 253.

Помимо возрастного состава, звездное население галактик (как, впрочем, и межзвездный газ в них) может различаться своим химическим составом, точнее – относительным содержанием химических элементов тяжелее гелия. Поскольку эти элементы рождаются в массивных звездах, а затем попадают в межзвездное пространство и участвуют в образовании новых поколений звезд, в молодых звездах тяжелых элементов больше, чем в старых. Поэтому измерение содержания тяжелых элементов в звездах позволяет получить информацию об истории звездообразования в галактике. Меньше всего тяжелых элементов оказалось в карликовых галактиках. Частично это объясняется тем, что такие элементы еще не успели в них возникнуть, а частично тем, что часть газа, обогащенного образовавшимися в звездах химическими элементами, получает при выбросе из звезд такие большие скорости, что не удерживается гравитационным полем маломассивной галактики и навсегда покидает ее.

Возраст галактик оценивают по их звездному составу, который определяют по спектру (или цвету) звездного излучения, опираясь при этом на теорию звездной эволюции, указывающую характерный возраст звезд различного спектрального класса. Однако само понятие возраста галактик определено нечетко, поскольку процесс формирования галактики может занимать 1–2 (а в некоторых случаях и более) миллиарда лет. Тем не менее, анализ наблюдений показал, что в абсолютном большинстве случаев самые старые звезды галактик всех типов имеют сходный возраст, превышающий 10 миллиардов лет.

Эпоха, в которую началось массовое формирование галактик как звездных систем из первоначально газовой среды, отстоит от нас на 10–13 млрд. лет. Однако, среди галактик-карликов есть системы, возраст которых, по-видимому, существенно меньше. Некоторые, очень редко встречающиеся карликовые галактики, по-видимому, только в нашу эпоху испытывают первую вспышку интенсивного звездообразования в своей истории. В них содержится много межзвездного газа (атомарного водорода) и молодых звезд, и нет заметных следов присутствия старых звезд (красных гигантов). При этом в их звездах и межзвездном газе очень мало тяжелых элементов, которые просто еще не успели возникнуть. Но чаще всего большое количество молодых звезд свидетельствует не о молодости системы, а о том, что по тем или иным причинам в галактике произошла очередная вспышка звездообразования.

Звездообразование в галактиках.

Звезды и газ – основные составляющие галактик, тесно связанные друг с другом. В холодных облаках газа происходит зарождение звезд, а последние на определенной стадии эволюции возвращают часть вещества в межзвездную среду. При этом массивные звезды своим излучением нагревают и ионизуют газ. Процесс обмена веществом между звездами и межзвездной средой не сбалансирован: поскольку звезды теряют лишь часть своей массы, звездообразование приводит к медленному уменьшению запасов газа в галактике. Поэтому в большинстве галактик на долю газа приходится лишь несколько процентов вещества, содержащегося в звездах, т.е. большая часть газа уже израсходована.

Галактики с интенсивным звездообразованием отличаются большим числом наблюдаемых молодых звезд высокой светимости (голубых сверхгигантов) с более голубым цветом и большим количеством областей ионизованного газа, спектр этих звезд содержит яркие линии излучения. Присутствие молодых массивных звезд делает такие галактики особенно яркими в ультрафиолетовой и далекой инфракрасной областях спектра, приводит к появлению множества областей ионизованного газа. Частые взрывы сверхновых звезд увеличивают мощность радиоизлучения галактики. По этим признакам и оценивается интенсивность звездообразования в галактиках.

В среднем, темпы звездообразования (в расчете на единицу массы или светимости галактики) уменьшаются вдоль хаббловской последовательности типов от Irr к E, хотя есть и исключения из этого правила. В Е-галактиках молодые звезды либо вообще отсутствуют, либо их слабые следы заметны лишь в самом центре галактики. В S- и Irr-галактиках в среднем в звезды превращается от нескольких миллионов до нескольких десятков миллионов солнечных масс вещества за каждый миллион лет. При этом, как правило, чем больше газа в галактике, тем выше и темп звездообразования в ней.

Почти всегда звездообразование в галактиках происходит в их дисках, где наиболее сильно концентрируется межзвездная среда. Главная особенность звездообразования в дисках галактик – его очаговый характер. Газ и молодые звезды, как правило, группируются в отдельных областях диска размером в несколько сотен световых лет. Небольшие галактики могут содержать два-три крупных очага звездообразования, а в галактиках-гигантах сотни областей звездообразования различных размеров рассеяны по всему диску, концентрируясь к спиральным ветвям, где плотность газа наиболее высока. Большая часть наблюдаемых различий между галактиками прямо или косвенно связана со звездообразованием в них – как в современную эпоху, так и в прошлом.

Темп звездообразования и расположение областей, где в галактике рождаются звезды, зависит от многих факторов, которые могут ускорять, или, наоборот, замедлять процесс превращения газа в звезды. Выявление этих факторов и их роли в эволюции галактик – важная и далеко не решенная проблема.

КИНЕМАТИКА ГАЛАКТИК

Вращение галактик.

Отдельные звезды, звездные скопления и газовые облака непрерывно движутся в галактике, причем каждый объект описывает довольно сложную незамкнутую траекторию вокруг центра масс галактики. Но непосредственно измерить перемещение звезд или облаков газа невозможно. Определение скорости движения различных объектов основано на эффекте Доплера , и производится по измерениям сдвига линий в их спектрах. Для звезд – это линии поглощения, для облаков ионизованного газа – линии излучения в оптическом спектре. Для облаков холодного газа, не излучающего света, используются радиолинии излучения водорода (длина волны 21 см) или молекулярных соединений, прежде всего – молекулы СО; большинство этих радиолиний лежит в сантиметровом и миллиметровом диапазонах. Разумеется, измерения дают лишь величину проекции скорости на луч зрения, а восстановление полного вектора скорости требует определенных предположений о характере движения объектов.

Оценка скоростей газа и звезд в галактиках имеет одну особенность: объекты, скорости которых определяются, обычно не видны по отдельности, так что измерения дают некоторые средние значения скоростей в данном месте галактики. При этом каждая звезда или облако газа может иметь скорость, заметно отличающуюся от средней. Поэтому часто говорят не о скорости отдельных объектов, а о скорости газа или звезд данного типа в определенной области галактики.

Скорости движения газа и звезд составляют от нескольких десятков километров в секунду в карликовых галактиках до 200–300 км/с (в редких случаях – до 400 км/с) в гигантских спиральных галактиках.

Все галактики вращаются, но не как твердые тела: орбитальный период объектов возрастает с увеличением расстояния до центра вращения (центра масс) галактики. При этом совокупность звезд и межзвездный газ могут иметь различные скорости вращения даже на одинаковом расстоянии от центра. Характер вращения галактик различных типов также не одинаков.

Эллиптические галактики.

Скорости звезд в них тем больше, чем массивнее галактика, но скорости соседних звезд, как правило, имеют различное направление, так что среднее значение скорости в каждом локальном объеме галактики оказывается небольшим. Поэтому даже при высоких скоростях движения звезд вращение галактики как целого довольно медленное – несколько десятков километров секунду. Любопытно, что степень сжатия галактики, вопреки ожиданиям, оказалась не связанной со скоростью ее вращения: медленно вращающаяся галактика может быть как шарообразной, так и сплюснутой.

Спиральные галактики.

Различные компоненты галактик имеют разные скорости вращения. Медленнее всего вращается звездный балдж и звездное гало: их скорости вращения почти так же невелики, как у Е-галактик. Звезды и газ в галактическом диске вращаются быстрее, потому что скорости всех объектов диска более упорядоченны: они движутся преимущественно в одном направлении. Наибольшей упорядоченностью отличаются скорости облаков газа и молодых звезд. Их орбиты в диске галактики близки к круговым, поэтому скорости этих объектов часто называют скоростями кругового вращения, или круговыми скоростями.

График изменения скорости газа с расстоянием от центра галактики называют кривой вращения галактики. Характерный вид кривых вращения галактик показан на рис. 15 Спиральные ветви могут вызывать заметные отклонения скоростей вращения от круговой скорости, но амплитуда этих отклонений обычно невелика по сравнению с круговой скоростью и, как правило, не превосходит 20–30 км/с. Более существенные отклонения скорости от круговой наблюдаются во взаимодействующих галактиках, а также в локальных областях звездообразования, где воздействие массивных звезд на газ вызывает нагрев и расширение межзвездной среды.

Неправильные галактики.

Это медленно вращающиеся системы. Как и в дисках S-галактик, скорости вращения газа и звезд в них близки к круговым. В отличие от Е-галактик, низкая скорость вращения в Irr-галактиках – следствие их малой массы.

Массы галактик и проблема темного гало.

В середине 20 в. было обнаружено, что в крупных скоплениях галактик средние скорости движения отдельных членов скопления слишком велики, чтобы они могли удержать друг друга в скоплении своим гравитационным притяжением. Но поскольку скопления включают старые звездные системы, они не могут быть короткоживущими образованиями. Отсюда следовало, что большая часть массы должна приходиться на ненаблюдаемую среду, излучение которой почти или полностью отсутствует. Совершенно независимо выявилось, что аналогичная проблема имеет место и для отдельных галактик.

Принцип определения масс галактик довольно прост. Если бы составляющие галактику объекты не притягивали друг друга, то их движение с наблюдаемыми скоростями привело бы к разрушению галактики за несколько сотен миллионов лет. Но силы гравитации препятствуют разлету частей галактики. Поэтому, измерив скорости движения газа или звезд, можно узнать, как распределено вещество в галактике и какова его масса. Пусть скорость кругового вращения в диске галактики на расстоянии R от центра равна V . Тогда масса М галактики, заключенная в пределах R , в первом приближении равна М (R ) = V 2 R /G , где G – гравитационная постоянная. Такой подход позволяет по известной кривой вращения галактики оценить ее массу и узнать, как она распределена в галактике.

В 1970-х было установлено, что форма кривых вращения многих спиральных галактик на больших расстояниях от центра существенно отличается от ожидавшейся. Скорости вращения во внутренней области галактики возрастают с расстоянием R от центра, но, как правило, начиная с некоторого расстояния, почти не меняются с R , сохраняясь высокими даже на периферии диска. Если бы галактика состояла только из обычных (наблюдаемых!) звезд и газа, то скорость вращения во внешних областях галактики должна была бы уменьшаться с ростом R , аналогично тому, как уменьшается скорость обращения планет вокруг Солнца с возрастанием размера их орбит. Более быстрое вращение означает более высокую массу вещества, заключенного в пределах данного радиуса. Отсюда следует, что масса вещества во внешних областях галактик должна быть выше предполагавшейся. Так возникла проблема скрытой, или темной массы в галактиках. Если во внутренней области галактик относительная доля темной массы мала, то чем дальше от центра, тем она больше. Из косвенных данных следует, что основная часть темной массы заключена не в диске, а в сфероидальном компоненте галактик. Поэтому обычно говорят о темном гало галактик.

В различных спиральных и неправильных галактиках доля массы, приходящаяся на темную материю, различна. В большинстве случаев в пределах оптических границ спиральных галактик масса невидимого вещества сопоставима с суммарной массой вещества «видимого»: звезд и газа. Темное вещество продолжает галактику там, где никакого свечения звезд уже не заметно. Но известны и такие галактики, где темная масса преобладает над видимой на всех расстояниях от центра.

Независимо был получен вывод о существовании темной массы и в эллиптических галактиках – по наблюдениям рентгеновского излучения горячего газа. Его температура составляет десятки миллионов градусов, и галактика, состоящая из обычных звезд, была бы не в состоянии удержать такой газ сколь-нибудь долго.

Природа темной массы в галактиках до сих пор не вполне ясна. Часть ее можно связать с маломассивными звездами или телами, промежуточными по массе между звездами и планетами. Их излучение необнаружимо слабо, и поиски таких тел представляет серьезную научную проблему. Маломассивные тела удается обнаружить лишь по их гравитационному воздействию на лучи света от далеких звезд, случайно оказавшихся на одной прямой линии с каким-либо из таких «темных» объектов: отклонение лучей света в гравитационном поле объекта приводит к кратковременному поярчению звезды (эффект гравитационного микролинзирования).

Другое направление поиска скрытой массы связано с попыткой обнаружения новых элементарных частиц, ответственных за эту темную массу. Такие частицы должны иметь ненулевую массу покоя и слабо взаимодействовать с обычным веществом, что делает их трудно обнаружимыми. Общая масса таких частиц должна быть очень велика, они должны заполнять всю галактику, свободно проходя не только сквозь межзвездную среду, но и сквозь планеты и звезды. Ожидается, что скорости движения этих частиц в галактиках примерно такие же, как и скорости звезд. Частицы, обладающие требуемыми свойствами, пока не обнаружены методами лабораторной физики, но их существование предсказывается в рамках физических теорий элементарных частиц. Могут ли они составлять основную массу галактик – это должно быть выяснено дальнейшими исследованиями.

Природа спиральных ветвей.

Большинство наблюдаемых галактик высокой светимости – спиральные. Их спиральные ветви – это структурные образования во вращающихся газо-звездных дисках галактик. В абсолютном большинстве случаев вращение галактик происходит в таком направлении, что наружные концы спиралей «отстают» в своем движении (спирали как бы закручиваются). Хотя такая форма спиралей характерна для структур, возникающих в самых различных вращающихся средах, природа спиралей в галактиках оставалась непонятной в течение долгого времени. Проблема заключается прежде всего в объяснении их долгоживучести. Как уже было отмечено, диски галактик вращаются не как твердые тела: их угловая скорость уменьшается с расстоянием от центра. Такой характер вращения должен растягивать, «размазывать» любой структурный узор диска, так что он не просуществует и нескольких оборотов галактики. Тем не менее, спиральные ветви наблюдаются в большинстве дисковых галактик, несмотря на их большой возраст.

С наблюдательной точки зрения спиральные ветви в галактиках представляют собой области, выделяющиеся более высокой яркостью, и причиной этого в основном служит концентрация в них молодых звезд и облаков ионизованного газа, которые также обязаны своим происхождением молодым массивным звездам. Спиральные ветви как бы синхронизируют звездообразование в диске галактики, стимулируя появление плотных облаков газа и молодых звезд вдоль ветвей. Механизмом такой синхронизации служит сжатие межзвездной среды в спиралях. В ветвях действительно наблюдается повышенная плотность всех компонентов межзвездной среды – газа, пыли, магнитного поля,космических лучей.

Значительно сложнее оказалось обнаружить увеличение плотности старого населения звездного диска в спиральных ветвях, составляющего его основную массу. Лишь наблюдения в ближнем ИК-диапазоне позволили убедиться, что спиральный узор затрагивает не только газ и молодые звезды, но, как правило, все компоненты диска. Увеличение плотности диска в области спиральных ветвей возмущает его гравитационное поле. Это приводит к тому, что звезды и газовые облака в диске в своем движении под действием «избыточных» сил притяжения спиралей, испытывают систематические отклонения от кругового вращения, то увеличивая, то уменьшая свои скорости, причем это происходит таким образом, что спиральный узор не размывается при вращении галактик, а является самоподдерживающимся. Такой согласованный процесс математически описывается как волна плотности, распространяющаяся по диску. Это означает, что спиральный узор не «приклеен» к диску, а движется со своей угловой скоростью, которая остается одинаковой на любом расстоянии от центра галактики, и поэтому спиральная ветвь не может быстро «закрутиться и размазаться». При этом внутренние области диска вращаются быстрее, чем спиральный узор, а внешние области – медленнее. Радиус, на котором эти две скорости вращения сравниваются, называется радиусом коротации. Его положение в галактике определяется из анализа скоростей звезд или газа, измеренных для большого количества локальных областей диска.

Каждая звезда за один оборот вокруг центра галактики может несколько раз пересекать спиральные ветви. Для звезд такие пересечения происходят бесследно, но межзвездный газ, будучи сплошной средой, реагирует на спиральную волну резким увеличением плотности, что, в конечном счете, и приводит к усилению звездообразования. При отсутствии газа яркие спиральные ветви галактик не смогли бы образоваться.

Выявление механизмов возбуждения и поддержания волновых колебаний плотности в дисках галактик представляет отдельную довольно сложную проблему. Большую роль в этих процессах могут играть звездные бары, существующие в центральных областях SB-галактик, а также спутники и соседние галактики, возмущающие движение звезд и газа в диске галактики своим гравитационным полем. Волновая теория спиралей позволила объяснить правильные по форме спиральные узоры, наблюдаемые в галактиках. Справедливость волновых представлений подтверждается анализом скоростей движения газа и звезд в дисках. Но в реальных галактиках ситуация обычно значительно сложнее. Почти никогда спиральный узор не является математически правильным, спиральная структура часто разбивается на отдельные светлые пятна, спирали иногда частично или целиком состоят из коротких дуговых отрезков, не стыкующихся между собой (в таком случае их называют флокуллентными спиралями). Это отражает как сложный характер процесса распространения звездообразования по диску, так и одновременное существование в диске волн с различной частотой и амплитудой.

ЯДРА ГАЛАКТИК

Центральная область галактики, называемая ее ядром, представляет собой наиболее плотную часть звездной системы. На изображении галактики ядро выделяется своей высокой яркостью. Ядра можно заметить у галактик всех типов, кроме неправильных и большинства карликовых галактик. Помимо звезд, в пределах примерно тысячи световых лет от центра галактики, часто концентрируется межзвездный газ и многочисленные области молодых звезд, образующие вращающийся околоядерный диск.

Наиболее удивительное свойство ядер, не объясняемое присутствием только обычных звезд и газа в ядре – это их активность, которая ярко выражена у нескольких процентов галактик высокой светимости. В активных ядрах наблюдаются нестационарные процессы, связанные с выделением большого количества энергии. В некоторых случаях мощность выделения энергии в ядре превышает 10 37 Вт, что сопоставимо или превышает суммарную мощность излучения всех звезд галактики вместе взятых, хотя обычно она все же на 1–2 порядка ниже.

Форма выделения энергии в ядрах, как и наблюдаемые признаки активности, могут быть различными. Это быстрое движение газа со скоростями в тысячи км/с, мощное нетепловое излучение незвездной природы в различных областях спектра – от рентгеновской до радио, образование направленных плазменных струй (джетов), выбросы высокоэнергичных элементарных частиц, ответственные за мощное радиоизлучение галактики. Общей особенностью активных ядер галактик является переменность излучения на самых различных интервалах времени: от нескольких суток или даже часов до нескольких лет.

Галактики, обладающие активными ядрами, принято разделять на несколько типов. Различают галактики Сейферта , радиогалактики , квазары и лацертиды . Проявление активности ядер в каждом из этих типов галактик имеет свои наблюдаемые особенности. Однако во всех случаях источник мощной энергии ядра имеет крошечный размер по сравнению с размером галактики (существенно меньше светового года). «Сердцевиной» такого источника предположительно является сверхмассивная черная дыра , на которую падает, разгоняясь при падении до околосветовых скоростей, первоначально разреженная среда, находившаяся в ее окрестности (такой средой может быть межзвездный газ околоядерного диска или газ, входивший в состав звезд, разорванных гравитационном полем черной дыры). Это предположение подтверждается открытием в ядрах крупных галактик всех типов массивных объектов (по-видимому, черных дыр), не обладающих заметным излучением, но создающих очень сильное гравитационное поле. Их массы составляют от нескольких миллионов до нескольких миллиардов масс Солнца. Теоретически, кинетическая энергия падения вещества, сообщаемая ему гравитационным полем черной дыры, может в десятки раз превосходить энергию, которую способны дать любые термоядерные реакции в этом веществе. С этой точки зрения, активность ядра связана с различными механизмами преобразования энергии падающего вещества в другие формы. При этом ядро галактики может находиться в активном или спокойном состоянии в зависимости от наличия потоков вещества на черную дыру.

Ядро нашей Галактики, как и соседней с нами Туманности Андромеды, находится в сравнительно спокойном состоянии, несмотря на то, что в самом центре этих галактик обнаружено существование объектов, по-видимому, являющихся массивными черными дырами. Ближайшая к нам спиральная галактика с активным ядром – галактика Сейферта NGC 1068, находящаяся на расстоянии около 50 млн. св. лет в созвездии Кита. Ближайшая пекулярная эллиптическая галактика с активным ядром – радиогалактика NGC 5128 в созвездии Центавра Расстояние до нее в несколько раз меньше.

СИСТЕМЫ ГАЛАКТИК

Группы галактик.

Галактики часто объединены в пары, триплеты и более сложные группы. Одиночные, или, как их не совсем правильно называют, «изолированные» галактики, встречаются редко. Так, наша Галактика окружена системой небольших спутников, из которых самыми крупными являются Большое и Малое Магеллановы Облака. У Туманности Андромеды тоже есть спутники. Все эти объекты, в свою очередь, входят в Местную группу галактик с диаметром около 5 млн. световых лет, в которой находится несколько десятков галактик (в основном – карликовых), причем наша галактика и Туманность Андромеды являются самыми яркими и массивными членами этой группы. В пределах 30 млн. световых лет от Местной группы обнаружено еще более десятка подобных групп.

Таблица 2. Главные галактики местной группы

Таблица 2. ГЛАВНЫЕ ГАЛАКТИКИ МЕСТНОЙ ГРУППЫ
			Видимые		Абсолютные
Галактика	Тип	Расст. 1	Вел. 2	Диам. 3	Свети-мость 4	Диам. 5		Масса 6	M/L 7
Млечный Путь	Sbc	–	–	–	14,5?	80?		200?	14?
БМО	Sm	0,15	0,6	12°	2,75	31		15	5,5
ММО	Smp	0,18	2,8	4°	0,52	13		3	5,8
М 31	Sb	2,10	4,4	3°	22,9	110		400	17
М 32	E2	2,10	9,1	4ў	0,21	2		1?	5?
М 33	Sc	2,20	6,3	1°	3,63	38		20	5,5
Скульптор	E	0,35	9,2?	45ў	0,004	5		–	–
Печь	E	0,75	9,0	50ў	0,019	11		0,1?	5
NGC 205	E	2,10	8,8	11ў	0,27	6		–	–
NGC 6822	Im	1,80	9,3	20ў?	0,11?	7		–	–
IC 1613	Im	2,10	9,9	20ў	0,076	10		–	–
1 Расстояние в миллионах световых лет. 2 Видимая звездная величина в голубых лучах. 3 Видимый угловой диаметр в градусах или минутах дуги. 4 Абсолютная светимость в миллиардах солнечных единиц. 5 Линейный диаметр в тысячах световых лет. 6 Масса в миллиардах солнечных единиц. 7 Отношение массы к светимости в солнечных единицах.

Массы пар, групп и триплетов галактик оценивают по разности лучевых скоростей их членов, считая, что гравитационное поле системы должно быть достаточным для удержания всех галактик вместе. Найденная таким образом масса обычно бывает больше суммарной массы всех видимых членов группы. Такое расхождение называют «проблемой скрытой массы» в системах галактик. Эта проблема родственна проблеме скрытой массы в отдельных галактиках и в их скоплениях.

Скопления галактик.

Системы галактик, содержащие сотни и тысячи отдельных членов, называют скоплениями галактик. Ближайшее из них находится в созвездии Девы на расстоянии более 40 млн. световых лет. Его видимый диаметр около 12° (что соответствует линейному диаметру 8 млн. световых лет), а самые яркие галактики скопления видны как объекты 9-й – 10-й звездной величины. Эллиптические и линзовидные галактики в нем концентрируются к центру, а доля спиральных и неправильных галактик растет к периферии. Еще дальше наблюдаются более богатые скопления, например, гигантское скопление в созвездии Волосы Вероники, находящееся на расстоянии около 300 млн. световых лет. Обычно это скопление называют просто Coma (читается – Кома, от Coma Berenices – Волосы Вероники). В нем более 10 тыс. галактик, половина из которых сосредоточена в центральной области диаметром 1,5°, что соответствует 8 млн. световых лет. 23

В богатых скоплениях типа Coma галактики сильно концентрируются к центру, наподобие звезд в эллиптических галактиках. В центральной части скопления наблюдаются преимущественно эллиптические и линзовидные галактики. Полная масса гигантских скоплений достигает 10 14 масс Солнца. Эта масса только частично заключена в галактиках. Существенная часть вещества скопления приходится на горячий межгалактический газ: Несмотря на очень низкую плотность газа (концентрация атомов составляет всего 100–1000 атомов в куб. метре), его свечение во многих скоплениях уверенно регистрируется рентгеновскими космическими телескопами. Но, как и во многих группах галактик и отдельных галактиках, основная часть массы скоплений приходится не на звезды и газ, а на так называемую «темную массу», излучение которой не обнаруживается.

Не только галактики, но и скопления галактик распределены в пространстве неоднородно. Известны обширные области, где частота встречаемости галактик и скоплений галактик в 5–10 раз выше средней. Иногда такие уплотнения называют сверхскоплениями, однако, их нельзя рассматривать как скопления более высокого уровня. В отличие от обычных скоплений галактик, они не являются гравитационно связанными системами и находятся в состоянии космологического расширения. К такого рода уплотнениям относится, например, вытянутая область Сверхскопления Шепли в созвездии Центавра. Расстояние до него около 650 млн световых лет, а его протяженность превышает 60 млн световых лет. Концентрацию групп и мелких скоплений на расстоянии нескольких десятков млн. лет вокруг скопления Девы часто называют Локальным Сверхскоплением.

Статистический анализ распределения большого количества далеких скоплений показывает, что их совокупность образует в пространстве своего рода ячеистую структуру с характерным размером ячеек 400–500 млн световых лет. К границам ячеек концентрация галактик и их скоплений возрастает и становится в несколько раз выше средней, зато внутри ячеек обширные пространства могут быть практически лишены галактик высокой светимости. Такая структура сформировалась на ранней, догалактической стадии расширения Вселенной под действием сил гравитации вещества, еще не успевшего распасться на отдельные протогалактики.

Взаимодействующие галактики.

В парах, группах или скоплениях галактик достаточно часто происходят тесные сближения или даже столкновения отдельных галактик. При этом, как правило, гравитационные силы между сблизившимися галактиками приводят к искажению их форм, появлению общего светящегося «тумана» из отдельных звезд, покинувших галактики, к возникновению перемычек или длинных хвостов, состоящих из газа и звезд, направленно выброшенных из галактик. Системы таких галактик называют взаимодействующими (термин введен Б.А.Воронцовым-Вельяминовым, который первым начал систематически исследовать эти объекты). Компьютерное моделирование показало, что большинство форм взаимодействующих галактик можно естественно объяснить их гравитационным влиянием друг на друга. Подбирая величину и направление относительных скоростей галактик, их массы и расстояния между ними, можно имитировать наблюдаемые особенности взаимодействующих галактик, в том числе – развитие хвостов и перемычек в результате сближения двух систем. При каждом сближении галактик в группах или парах они теряют часть энергии своего орбитального движения и должны при каждой последующей встрече подходить все ближе друг к другу. Конечным этапом такого процесса неизбежно будет взаимное проникновение галактик и их слияние в одну систему, но это может занять многие миллиарды лет.

Эффекты взаимодействия не сводятся только к искажению форм или появлению длинных выбросов вещества. Они, в частности, могут сильно отразиться на характере движения межзвездного газа в дисках галактик, вызвать появление крупномасштабных ударных волн, привести к резкому возрастанию темпов звездообразования в одной или обеих галактиках, к перераспределению газа в них и даже к всплеску активности ядра. Особенно сильные эффекты возникают при взаимном проникновении галактик или попадании небольшого спутника внутрь гигантской галактики. В последнем случае, как показывают расчеты, спутник должен двигаться по спирали к ядру галактики, быстро разрушаясь при этом. В частности, наличие газопылевых дисков в некоторых эллиптических галактиках (в том числе и в упоминавшейся выше радиогалактике NGC 5128) связано, по-видимому, с разрушением спутников, богатых газом, некогда захваченных галактикой.

При поглощении достаточно массивного спутника или слиянии двух галактик сопоставимой массы может измениться внутренняя структура и даже морфологический тип галактик. Слияние галактик и поглощение ими мелких спутников – важная особенность эволюции галактик всех типов. В нашей Галактике также имеются следы разрушения захваченных ею звездных систем, а один из карликовых спутников, сравнительно недавно проникший в Галактику и еще не успевший разрушиться, наблюдается вблизи плоскости Галактики по другую сторону от ее центра, в созвездии Стрельца.

Анатолий Засов

Литература:

Бааде В. Происхождение и эволюция звезд и галактик . М.: Мир, 1966
Хойл Ф. Галактики, ядра, квазары . М.: Мир, 1968
Происхождение и эволюция галактик и звезд . – Ред. С.Б.Пикельнера. М.: Наука, 1976
Воронцов-Вельяминов Б.А. Внегалактическая астрономия . М.: Наука, 1978
Миттон С. Исследование галактик . М.: Мир, 1980
Агекян Т.А. Звезды, галактики, Метагалактика . М.: Наука, 1981
Тейлер Р.Дж. Галактики: строение и эволюция . М.: Мир, 1981
Марочник Л.С., Сучков А.А. Галактика . М.: Наука, 1984
Гуревич Л.Э., Чернин А.Д. Происхождение галактик и звезд . Наука, 1987
Сучков А.А. Галактики знакомые и загадочные . М.: Наука, 1988
Ходж П. Галактики . М.: Наука, 1992
Засов А.В. Физика галактик . М.: Из-во МГУ, 1993
Сурдин В.Г. Рождение звезд . М.: УРСС, 2001
Ефремов Ю.Н. В глубины Вселенной . М.: УРСС, 2003