ОСНОВНОЕ МЕНЮ

НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА

РУССКИЙ ЯЗЫК

ЛИТЕРАТУРА

 

АНГЛИЙСКИЙ ЯЗЫК

ИСТОРИЯ

БИОЛОГИЯ

ГЕОГРАФИЯ

МАТЕМАТИКА

ИНФОРМАТИКА

Галактики

04Читателям, интересующимся научной фантастикой, хорошо известно имя Ф. Хойла — автора нашумевших бестселлеров «Черное облако» и «Андромеда». Астрофизики знают Хойла как блестящего ученого, одного из творцов теории происхождения химических элементов и теории стационарной Вселенной, зачинателя многих направлений современной космологии и астрофизики, человека, вся научная деятельность которого — бенгальские огни новых, оригинальных идей.

 

 

i 049

i 050

Зеркальный телескоп. 1750 год.

Что такое галактика?

 

Двадцать лет назад Хойл написал научно-популярную книгу «Галактики, ядра и квазары», в которой он высказывает довольно пессимистическую точку зрения по поводу имеющейся информация о происхождении галактик. «О происхождении галактик почти ничего не известно», — пишет он в своей книге. Прошло 20 лет после выхода в свет книги Хойла, и сегодня приходится признать, что общепринятой, канонической теории образования галактик не существует. Положение, быть может, не столь трагично, как писал Хойл, но тем не менее это один из самых трудных (и нерешенных!) вопросов современной космологии.

Далекие туманные объекты — туманности были замечены астрономами еще в XVII веке. О знаменитой туманности Андромеды впервые упомянул современник Галилея С. Мариус в 1612 году. Французский астроном Ш. Месье, известный своими открытиями комет, чтобы наблюдатели не путали кометы с туманностями, составил первый список туманностей, содержавший около ста объектов. Но лишь в 20-х годах нашего века удалось установить, что некоторые туманности — это гигантские звездные системы, находящиеся далеко за пределами нашей Галактики — Млечного Пути.

Постепенно астрономы выяснили, что эти системы сильно отличаются по форме и размерам друг от друга, и Хаббл составил знаменитую «камертонную диаграмму» — первую классификацию галактик, которая и по сегодняшний день широко используется в наблюдательной астрономии.

Все галактики Хаббл разбил на три основных вида: эллиптические, спиральные и неправильные. Составляя диаграмму, он полагал, что в ней отражен некий механизм эволюционных переходов от одного вида к другому. Это предположение впоследствии было отвергнуто, но классификация Хаббла, как мы говорили, используется и поныне. Что же касается очевидных различий в строении колоссальных звездных систем, то они связаны, по всей видимости, с условиями образования галактик.

Итак, посмотрим еще раз повнимательнее на камертонную диаграмму Хаббла. Очень многие из известных ныне астрономам галактик имеют эллиптическую форму. У самых крупных эллиптических галактик поперечник сравним с диаметром нашей Галактики, включая ее корону (примерно 105 парсек), а масса их достигает 1013 солнечных масс. Таких гигантских эллиптических галактик сравнительно немного, и гораздо более распространены так называемые карликовые эллиптические галактики, имеющие размеры в поперечнике «всего» около 2000 парсек и содержащие несколько миллионов звезд (в нашей Галактике сотни миллиардов звезд, и она поэтому считается гигантской).


i 051

Камертонная диаграмма Хаббла.

Спиральные галактики были открыты первыми. Это сильно сплюснутые системы гораздо большей яркости, чем широко распространенные карликовые эллиптические галактики. Основное различие между обычными спиральными галактиками и спиралями с перемычкой заключается в форме ядра этих систем. Обычные, или нормальные, спирали имеют ядро приблизительно сферической формы, но у ряда спиральных галактик в области вытянутого ядра наблюдается перемычка.

На диаграмме Хаббла мы видим и линзовидные галактики. Они так же, как и спиральные, сильно сплюснуты и напоминают чечевицу, но у них нет спиральной структуры.

И наконец, еще один тип галактик — неправильные. К ним относятся, например, два основных «компаньона» нашей Галактики — Большое Магелланово Облако и Малое Магелланово Облако. Свое название «неправильные» эти звездные системы получили из за особенностей их видимой формы. Некоторые неправильные галактики несут на себе отпечатки мощных взрывных процессов, другие имеют искаженную форму за счет взаимодействия с соседними близкими галактиками.

Большинство галактик обладает «стадным» характером: они образуют скопления, большие и малые. Малые насчитывают десятки членов, большие — тысячи. Большое скопление в Волосах Вероники содержит примерно десять тысяч галактик, главным образом эллиптических. Размер этого огромного скопления около четырех мегапарсек.

Скопления галактик, в свою очередь, входят в состав еще более крупных структурных образований, которые называются сверхскоплениями. Эти самые крупные структурные ячейки Вселенной имеют размеры до сотни мегапарсек и массы, превышающие 1015 масс Солнца.

Именно галактики являются ключевым элементом в структуре наблюдаемой Вселенной, а проблемы образования галактик и структурирования мира — один из основных вопросов в современной космологии.

Здесь существует некоторая тонкость, на которую нам необходимо обратить внимание. Когда мы говорили о рождении нашего мира, мы подчеркивали что речь идет об однородной и изотропной Вселенной. И действительно, крупномасштабная структура мира в пределах той точности наблюдений, которой располагает современная астрономия, изотропна и однородна. Так, например, величина скорости разбегания галактик не зависит от того, в каком участке ночного неба проводятся измерения. То же самое можно сказать и о наблюдениях реликтового излучения, о числе далеких галактик в различных направлениях от Земли (но в достаточно больших сравниваемых объемах!).

Изотропность реликтового фона с полной определенностью свидетельствует о том, что распределение вещества Вселенной в эпоху отделения излучения от вещества было в высокой степени однородным. Это, по всей видимости, совершенно непреложный вывод. Но как согласовать его с очень сложной структурой сегодняшней Вселенной, которая определяется существованием галактик, их скоплений, и, наконец, сверхскоплений? Ведь совершенно ясно, что если бы расширение абсолютно однородной Вселенной было, в свою очередь, абсолютно однородным, то ни звезды, ни галактики не могли бы существовать в принципе. Вселенная в этом случае представляла собой однородный газ из атомов и элементарных частиц. Тем не менее в нашем мире мы можем наблюдать и звезды, и галактики. В чем же дело?

 

Рождение галактик

 

Еще раз вернемся к тому моменту, когда температура расширяющейся Вселенной упала до 4000 K. После Большого Взрыва прошло около миллиона лет. В это время в нашем остывающем мире произошли существенные перемены. Для нас сейчас особенно важно то обстоятельство, что Вселенная стала прозрачна для излучения. Произошло это по той причине, что электроны объединились в атомы с протонами и перестали участвовать в рассеянии фотонов. Излучение отделилось от вещества, и поэтому Вселенная стала для нас наблюдаемой.

Что это значит? Астрономия стала всеволновой. Наблюдения проводятся сейчас в широком диапазоне электромагнитных колебаний — от радиоизлучения до гамма-лучей. Естественно, чем дальше от нас находится объект, тем в более раннюю эпоху видит его астроном-наблюдатель. Свет от далеких галактик идет до Земли миллиарды лет, и мы видим эти галактики такими, какими они были миллиарды лет назад.

Ситуация здесь напоминает почтовые отправления. Распечатывая конверт и читая письмо, мы узнаем лишь о тех событиях, которые произошли до момента написания письма. В астрономии роль писем взяли на себя кванты электромагнитного излучения. Но расстояния между адресатами огромны, и поэтому мы в принципе не можем знать, что происходит с далекими объектами в данный момент времени. Ведь скорость передачи любой информации ограничена значением скорости распространения света.


i 052

Группа из пяти взаимодействующих галактик.

i 053

Галактика М 81.

i 054

Сталкивающиеся галактики.

Реликтовый фон дает сведения об эпохе отделения излучения от вещества, так как именно в это время электромагнитные колебания получили возможность свободно распространяться. Попытки наблюдений более ранней Вселенной напоминали бы попытки разглядеть что-либо в плотном тумане. Здесь речь идет, разумеется, о наблюдениях с помощью электромагнитных волн. Развитие нейтринной астрономии, безусловно, поможет заглянуть в более отдаленное прошлое нашего мира. Но на сегодня эта возможность отсутствует.

Что же говорит нам реликтовый фон об эпохе отделения излучения от вещества? Основной результат наблюдений состоит в том, что фоновое излучение однородно. В каком бы участке неба мы ни производили измерение свойств реликтового излучения, результат будет один и тот же. Но это означает, что и вещество в эпоху отделения было также очень однородным. А тогда мы снова сталкиваемся с противоречием между изначальной однородностью Вселенной и грандиозным разнообразием ее структуры. Где же выход?

Здесь уместно вспомнить о пророческой идее Ньютона, высказанной около 300 лет тому назад в письме к ректору Тринити колледжа в Кембридже Р. Бантли. Ньютон писал: «Но если бы вещество было равномерно рассеяно по бесконечному пространству, оно никогда не собралось бы в единую массу. Часть его могла бы собраться в одну массу, а часть — в другую, так что образовалось бы бесконечное число больших масс, разбросанных по бесконечному пространству на огромных расстояниях друг от друга».

Именно эта мысль гениального Ньютона является одним из краеугольных камней современных теорий образования крупномасштабных структур Вселенной.

Второе важное обстоятельство, которое мы с вами обязательно должны принять во внимание: так называемые малые возмущения, флуктуации — небольшие отклонения от однородности и изотропии.

Действительно, одной лишь силы гравитации в бесконечной однородной среде недостаточно для ее структурирования. Необходимо наличие неких «затравок». Здесь напрашивается аналогия с образованием облаков в атмосфере. Хорошо известно, что водяной пар начинает конденсироваться на крохотных частичках, называемых ядрами конденсации. Этими ядрами могут быть, например, крупинки поваренной соли или сажи. Но и в том случае, если бы атмосфера не содержала этих ядер, процессам конденсации благоприятствовали бы незначительные флуктуации плотности, которые всегда имеют место в реальной атмосфере.

Конечно же, разница между ранней Вселенной и атмосферой, между галактиками и тучами велика. Тем не менее и в том, и в другом случае необходимы затравочные флуктуации. Для решения вопроса об эволюции этих флуктуаций необходимо учитывать их начальные размеры и, конечно же, тот факт, что флуктуации возникают в расширяющейся Вселенной. Дело в том, что статическая Вселенная была бы крайне неустойчива по отношению к локальному сжатию или расширению.

Постараемся понять физический смысл роста начальных флуктуаций плотности, запомнив при этом довольно печальную для любой теории вещь: происхождение флуктуаций, из которых в конце концов возникнут галактики, остается на сегодняшний день загадкой. Попробуем более подробно рассмотреть, какие процессы могут происходить в изначально полностью однородной и изотропной среде. Вообще говоря, такая среда не может быть устойчивой, поскольку в ней действуют различные силы. Какие же?

В такой среде действует лишь одна сила — тяготение. Ведь в этой среде нет ни перепадов давления, ни потоков, ни каких-либо других неоднородностей вещества. И тем не менее этой силы оказывается вполне достаточно, чтобы нарушить однородность исходной среды и создать в ней неоднородности. Именно эта сила и создает первичные «куски» вещества в изначально однородной Вселенной.

Как это происходит? Представим себе для наглядности, что в каком-то районе среды немного повысилась ее плотность, или, иными словами, возникла флуктуация плотности. В соответствии с законом всемирного тяготения частицы среды начнут притягиваться к участку с большей плотностью и тем самым стремиться еще больше увеличить плотность этого участка.

Но мы пока не учитывали силу, которая неизбежно возникнет при увеличении плотности и начнет противодействовать силе гравитации. Эта сила — перепад давления. В данном случае именно возрастание давления прекращает в конце концов процесс сжатия.

Разумеется, схема, которую мы здесь нарисовали, чересчур упрощена, носит слишком качественный характер и может вызвать некоторое недоумение у читателя. Ведь применительно к расширяющейся Вселенной необходимо учитывать характер расширения. Кроме того, хорошо было бы знать и размеры, и массу первоначальных сгущений.

Анализ процессов гравитационной неустойчивости в однородной покоящейся среде привел к понятию «джинсовой массы» и «джинсова размера» (в честь Д. Джинса — знаменитого английского астронома, занимавшегося вопросом гравитационной неустойчивости). Джинсова длина — это критический размер участка нашей среды, при котором сила тяготения сравнима с перепадом давления в объеме этого участка. Джинсова масса — это масса участка, обладающего критическим размером.

Что дают нам понятия критической длины и массы? Ответить на этот вопрос довольно просто. Флуктуация — это такое образование, которое обязано или жить и развиваться, или в конце концов исчезнуть. Статичной она быть не может. Судьба флуктуации полностью определяется результатом конкурентной борьбы гравитации и перепада давления, а критическая масса и размер — количественный критерий этого результата. Естественно, что джинсова длина прямо пропорциональна давлению и обратно пропорциональна плотности среды.

Если размеры сгущения меньше критической длины Джинса, то сила давления преобладает над гравитацией, и в конце концов сгущение начнет расширяться. Более того, при расширении это сгущение по инерции «проскочит» среднее значение плотности окружающей среды и станет менее плотным, чем среда. Естественно, возникнет разность давлений, и рассматриваемый нами участок среды (теперь мы уже не можем называть его сгущением) некоторое время будет испытывать колебания плотности, которые рано или поздно затухнут из-за вязкости, и от сгущения не останется и следа.


i 055

Гипотетическая ледяная планета в созвездии Лиры.

Если же размеры превышают критическую длину Джинса, то плотность сгущения будет расти, причем размеры таких сгущений определяются величиной начальных малых флуктуаций плотности. При исследовании этого вопроса, как мы уже говорили, совершенно необходимо учитывать то радикальное обстоятельство, что все процессы дифференциации вещества происходили в расширяющемся мире.

Качественная картина возникновения и роста сгущений справедлива лишь для бесконечной, однородной среды, содержащей затравочные флуктуации. Пионерские работы, в которых исследовалось поведение малых возмущений в однородной расширяющейся среде, были выполнены в нашей стране сразу после войны академиком Е. Лифшицем. Эти работы показали, что в реальном случае расширяющейся Вселенной участки среды с большей плотностью будут расширяться несколько медленнее, чем Вселенная в целом. Это понятно, поскольку тяготение в этих участках сильнее, и оно будет препятствовать расширению. Эти области будут постепенно отставать в расширении от Вселенной, а в какой-то момент времени они и совсем перестанут расширяться. Они как бы отключатся от общего космологического расширения Вселенной.

Теория, развитая Е. Лифшицем, позволяет аккуратно и точно рассчитывать временную эволюцию сгущений и их начальную величину. И вот именно здесь возникают весьма серьезные трудности.

Мы уже говорили о процессах конденсации влаги в атмосфере. В этих процессах также велика роль флуктуаций плотности. Они носят чисто тепловой характер. Эти флуктуации возникают из-за случайного повышения плотности воздуха в силу хаотического движения молекул газовой среды. Кстати говоря, Джинс в своих работах рассматривал именно тепловые флуктуации как затравочные центры гравитационной неустойчивости.

Не представляет особенной сложности оценить величину чисто тепловой флуктуации плотности, в системе из N частиц. Это может быть стакан воды, атмосфера, район Вселенной, содержащей число частиц, соответствующее, к примеру, числу частиц в нашей Галактике (≈ 1068). Поскольку для любой термодинамической системы относительное значение флуктуации плотности равно просто 1/√N, то для N = 1068 относительная величина теплового возмущения плотности равна 10–34.

Пора, наконец, сказать, что относительная величина возмущения плотности определяется как (ρφ – ρc)/ρc, где ρφ — плотность в районе возмущения, а ρc — средняя плотность среды. Итак, тепловые флуктуации дают очень небольшие отклонения от средней плотности среды. Но теория Лифшица требует, чтобы в момент времени, равный одной секунде после Большого Взрыва, во Вселенной существовали начальные возмущения, относительная величина которых никак не меньше 10–17. Как мы видим, разница здесь огромная.

Казалось бы, что такое 10–17? Очень маленькая величина. Но в то же время она на 17 порядков превышает значение чисто тепловых флуктуаций. И именно вопрос о том, какие процессы в ранней Вселенной могли привести к появлению флуктуаций требуемой величины, мучает теоретиков уже многие годы.

Число нерешенных проблем в этой области как туман закрывает от нас таинство происхождения галактик. Разумеется, картину нельзя назвать уж совсем безрадостной. Общий подход здесь более или менее ясен. Были малые начальные флуктуации, работала гравитационная неустойчивость, и на небе астрономы отчетливо видят галактики. Нужно лишь проследить и описать в рамках какой-то разумной теории всю эту картину. Но когда теоретики пытаются прийти к общей точке зрения по поводу ключевого вопроса в этой проблеме, вопроса о начальных возмущениях, выросших впоследствии в галактики, в их лагере сразу же появляются противоречия и споры не утихают по сегодняшний день.

Нынешнее время в теории образования галактик — эпоха поиска; окончательной, завершенной картины нет, есть только наброски. Но и по этим наброскам мы вправе попытаться представить себе общий ход событий, помня, разумеется, что наши сценарии будут в значительной мере предварительными. Ведь даже вопрос о том, с каких образований — крупных или небольших — началось структурирование мира, решается разными учеными совершенно по-разному.

А вопрос этот принципиальный. Ведь наблюдательные данные достаточно убедительно свидетельствуют о том, что в необозримых просторах Вселенной галактики образуют огромные космические соты — сверхскопления, окружающие гигантские «черные области» — пустоты.

Возникновение подобных структур требует наличия очень больших начальных изолированных масс: 1015–1016 Мi 056. Эти массы под действием гравитации начинают сжиматься, причем происходит это весьма своеобразно. Сжатие первоначального объекта начинается в эпоху отделения излучения от вещества (когда излучение перестает взаимодействовать с веществом). Исчезновение давления излучения приводит к развитию гравитационной неустойчивости, которая «подтягивает» вещество к области повышенной плотности.

Расчеты показывают, что сжатие вещества будет анизотропным. Если, к примеру, сначала исходный объект имел форму куба, то впоследствии он сожмется в пластинку. Такую пластину авторы модели назвали «блином».

Первоначально изолированные друг от друга плоские «блины» очень скоро вырастают в плотные слои. Эти слои пересекаются, и наконец в процессе их взаимодействия образуется ячеисто-сетчатая структура, где стенками огромных пустот служат блины. Отдельный блин представляет собой сверхскопление галактик, имеющее уплощенную форму.

«Блинная» модель, или, точнее сказать, теория, не свободна от недостатков. Она находится в противоречии с данными наблюдательной астрономии. Ведь исходные возмущения должны быть по этой теории столь велики, что современные способы оценки флуктуаций реликтового фона обязаны были бы зарегистрировать соответствующие отклонения в температуре. Однако этого не случилось. И поэтому для спасения блинной теории необходимо предположить, что плотность Вселенной была выше, чем думали ранее.


i 057

Сталкивающиеся галактики.

На роль спасителей теории блинов претендуют сейчас нейтрино, поскольку, как мы знаем, есть указания на то, что их масса покоя не равна нулю, или какие-то пока ненаблюдаемые частицы. С учетом массивных нейтрино теория блинов совмещается с наблюдениями реликтового излучения. Авторы теории надеются к концу XX века завершить построение общей теории.

Существуют, однако, и другие подходы к проблеме структурирования. Теория блинов оперирует лишь со сверхструктурой Вселенной, не отвечая на вопрос о происхождении более мелких образований — галактик. А ведь нас в первую очередь интересует именно это. Для решения этого вопроса придется снова вернуться к массе Джинса.

Тщательный анализ эволюции возмущений плотности различных типов в ранней Вселенной показывает, что ко времени рекомбинации остается два выделенных масштаба масс: 106 и 1012 солнечных масс. Случайно ли то обстоятельство, что массы шаровых скоплений составляют около миллиона солнечных масс, а массы наиболее массивных галактик и небольших скоплений приближаются, в свою очередь, к величине 1012 Мi 056.

Безусловно, этот факт заслуживает внимание. Соответственно, появилась очередная космогоническая гипотеза, согласно которой из первичных возмущений с массой 105–106 Мi 056 возникло «все» — и шаровые скопления, и галактики, и скопления галактик. В этой теории существенно то обстоятельство, что масса исходного сгустка сравнима с массой Джинса. Поэтому силы давления также сравнимы с силами гравитации.


i 058

Гигантская галактика.

Процесс сжатия здесь отличается от случая, когда гравитация полностью преобладает над давлением. Сжатие такого сгустка не может привести к образованию блина, так как давление сглаживает любую анизотропию. Поэтому первичные объекты, образовавшиеся в результате сжатия сгустков вещества с массой 105 солнечных масс, сферически симметричны. Они сразу фрагментируют на звезды, образуя шаровое скопление. Затем отдельные шаровые скопления при взаимодействии друг с другом собираются в галактики, а галактики, в свою очередь, образуют скопления.

Все это многообразие трудностей и нерешенных вопросов требует развития новых методов наблюдений. Более тридцати лет назад, выступая на Дарвиновских чтениях, Э. Хаббл сказал: «Что касается будущего, то можно проникнуть в пространство еще глубже, проследить красное смещение еще дальше назад во времени, но мы уже вступили в область уменьшения отдачи: инструменты будут стоить все дороже и дороже, а достижения возрастать все медленнее и медленнее… Но, возможно, позднее, когда военные ассигнования можно будет передать ученым, более счастливое поколение сможет возобновить наступление на пространство.

…Из нашего дома на Земле мы вглядываемся в даль, стараясь представить себе, каков мир, в котором мы были рождены. Сегодня мы уже далеко проникли в космическое пространство. Но чем больше расстояния, тем меньше мы знаем, и пока на едва различимой линии горизонта, среди едва уловимых ошибок наблюдений мы отыскиваем вряд ли более заметные, чем эти ошибки, „межевые столбы“. Но эти поиски будут продолжаться. Стремление к познанию старше истории. Оно безгранично и неодолимо». Слова эти не потеряли своей актуальности и сегодня.

 

Свойства галактик

 

Посмотрим теперь на некоторые свойства галактик, на их характерные особенности. Как мы уже говорили, Хаббл думал, что его камертонная диаграмма отражает эволюционный путь галактик. При этом он руководствовался гипотезой Джинса, согласно которой эллиптические галактики представляли собой гигантские газовые туманности. С течением времени туманность, охлаждаясь, сжималась и вращалась все быстрее, проходя последовательно все стадии от Е0 до Е7. При достижении определенной скорости вращения на экваторе туманности начиналось истечение материи в виде спиральных струй, в которых конденсировались звезды. Таким образом, туманность проходила весь путь по камертонной диаграмме, превращаясь в спиральные звездные системы.

Сегодня нам хорошо известно, что эллиптические образования во Вселенной не туманности, а звездные системы. Вопрос эволюции уже образовавшихся звездных систем — галактик заставляет нас обратить внимание и на их вращение, взаимодействие друг с другом, причины морфологических различий и т. д.

Одним из достаточно сложных и интересных вопросов является проблема очень широкого диапазона масс галактик. Для объяснения этой проблемы можно предположить, что определенную роль в образовании галактик играла не только газовая фрагментация, но и объединение, слияние первичных галактик. Однако вопрос о том, что образуется раньше: галактики или их скопления, непонятен до сих пор.


i 059

Галактика сомбреро.

Различия в морфологии галактик проявляются очень отчетливо. Многие имеют довольно выпуклую округлую форму, например, эллиптические. Такие галактики нередко концентрируются в богатых скоплениях, проявляя тягу к коллективизму. Для спиральных галактик характерно более индивидуальное поведение, они распределены во Вселенной более однородно и несколько шире распространены, чем галактики других типов. Какие причины могли привести к подобным различиям?

В качестве одного из возможных механизмов ученые рассматривают слияние галактик. Этот процесс был промоделирован на ЭВМ. Результаты оказались чрезвычайно интересными.

В процессе слияния двух галактик поначалу образуется объект совершенно неправильной формы. Но затем эти неправильности сглаживаются, и в результате образуется массивная галактика эллиптической формы. Процесс этот довольно быстрый (по космическим масштабам, конечно), он занимает «всего» несколько сотен миллионов лет. Можно думать, что эллиптические галактики — продукт столкновений протогалактик в скоплениях, а спирали образовались вне скоплений. Такова одна из возможных точек зрения.


i 060

Спиральная галактика NGS 891.

Интересно, что эллиптические галактики не бывают сильно сплюснуты. В экстремальных случаях у галактик класса Е7 сплюснутость достигает 3:1. Это, по всей видимости, связано с неустойчивостью вращающейся системы с большим значением сплюснутости. В результате такой неустойчивости может образоваться дискообразная структура, которая постепенно будет приобретать облик спиральной галактики. Подтверждением подобной точки зрения служит в известной мере наличие галактик класса S0. Это сильно уплощенные системы, занимающие промежуточное положение между спиральными и эллиптическими галактиками.

Когда мы говорили о процессе слияния галактик, мы упомянули лишь о численном машинном эксперименте, подтверждающем возможность подобного механизма. Однако природа обладает здесь куда более впечатляющими иллюстрациями. Хорошо известно, что в скоплениях галактик присутствуют иногда гигантские галактики, радиус которых достигает миллиона световых лет. Такие образования в 100 раз могут превышать по массе и светимости нашу собственную Галактику, которая, как мы знаем, сама относится к категории гигантских.

В скоплениях галактик присутствует, как правило, лишь один такой сверхгигантский компонент — галактика-монстр. Каково же ее происхождение?

Скажем прямо, механизм ее роста не совсем привлекателен с человеческой точки зрения, — это самый натуральный каннибализм. В чем же здесь дело? Поначалу галактика-каннибал лишь ненамного превышает по размерам соседние. Но по мере движения по спиральной траектории к центру скопления эта галактика заглатывает более мелкие системы. Мелкие галактики, обреченные на съедение галактикой-каннибалом, называют «миссионерами».

Конечно, подобные процессы наблюдаются не в каждом скоплении галактик. Иногда взаимодействие галактик может иметь характер лобового столкновения. При таком столкновении центральные области одной из галактик — участниц катастрофы — могут быть выброшены наружу. В результате образуется кольцевая структура, представляющая собой неустойчивую, короткоживущую систему. Астрономам известно несколько кольцевых галактик.

Здесь у читателя может возникнуть вполне уместный вопрос. Ведь хорошо известно, что галактики разлетаются друг от друга вследствие общего космологического расширения Вселенной. О каких же столкновениях может идти речь?

Ключ к пониманию этих процессов лежит в поведении, во взаимодействии отдельных частей гравитационно связанных систем. Наиболее наглядный пример в этом плане представляет собой наша Солнечная система, которая никак не реагирует на общее космологическое расширение. То же самое характерно и для звезд внутри нашей Галактики. Именно поэтому, если какие-то системы связаны гравитационно, они остаются в пространственной близости друг от друга.

Разумеется, закон всемирного тяготения описывает гравитационное взаимодействие на любых расстояниях. И в принципе любые системы во Вселенной гравитационно связаны между собой, в том числе и галактики, которые разбегаются друг от друга. Все дело в том, что в достаточно тесных, компактных по космическим масштабам образованиях, конечно, может существовать достаточно сильное гравитационное взаимодействие, определяющее собственную динамику поведения системы.

Так, например, наш Млечный Путь, Большое и Малое Магеллановы облака, Галактика Андромеды со своим спутником и ряд других небольших галактик-спутников образуют группу галактик, называемую Местной группой, или Местной системой галактик. (Небольшие группы галактик — обычное явление в космосе. Типичная группа может содержать несколько десятков галактик.)

Не только динамика взаимодействия галактик друг с другом заставляет вспомнить общее космологическое расширение. Существует еще одно немаловажное обстоятельство, связанное со строением галактик, которое может самым радикальным образом повлиять на характер расширения Вселенной. Что здесь имеется в виду?

В спиральных галактиках звезды, находящиеся в диске, обращаются вокруг общего центра масс. Движение этих звезд, а в общем случае не только звезд, но и пыли и газа, точно так же как и движение планет в Солнечной системе, определяется законом всемирного тяготения. Действительно, на стабильной орбите сила тяготения равна центробежной силе:

GMrm/r2 = mVr2/r,

где Mr — масса, заключенная в пределах от 0 до r, Vr — орбитальная скорость массы m. Если масса сосредоточена в центре, то изменение скорости происходит по закону 1/√r, то есть по хорошо известному закону Кеплера.

Обычно в галактиках максимум яркости приходится на центр, а к периферии яркость быстро падает. Долгие годы астрономы полагали, что яркость пропорциональна массе, и поэтому масса, как и яркость, также уменьшается с расстоянием от центра Галактики. В этом случае вполне естественно было ожидать, что орбитальные скорости звезд должны меняться по закону Кеплера, другими словами, уменьшаться с увеличением расстояния от центра Галактики.

В последнее время выполнены тщательные наблюдения вращающихся дисков многих спиральных галактик. Эти наблюдения принесли поистине сенсационные результаты. Оказалось, что в удаленных от центра галактик районах скорость вращения не уменьшается по мере увеличения радиуса. Более того, в ряде случаев она увеличивается. Не нашлось буквально ни одной сколь-либо протяженной области внутри изученных галактик, в которой скорость вращения уменьшалась бы с увеличением расстояния от центра. Но, поскольку закон всемирного тяготения незыблем, этот факт может означать лишь одно: масса в отличие от яркости отнюдь не концентрируется к центру спиральных галактик.

И это еще не все. В галактиках есть невидимая масса, корректирующая скорости орбитальных движений. По всей видимости, спиральные галактики окружены мощной сферической короной невидимого вещества, причем размеры этой короны простираются далеко за пределы видимого диска галактик. Судя по всему, именно существование этого невидимого вещества и его гравитационное притяжение препятствуют уменьшению скорости вращения с увеличением расстояния от центра.

Косвенные указания на присутствие в нашей Галактике значительной невидимой массы были замечены около тридцати лет назад знаменитым голландским астрономом Я. Оортом, в честь которого назван кометный резервуар, находящийся на расстоянии более ста тысяч астрономических единиц от Солнца (знаменитое облако Оорта). Оорт оценил массу звезд и газа, которая требуется для стабилизации звезд, сферической составляющей нашей Галактики — «гало».

Сейчас, после недавних измерений кривой вращения многих спиральных галактик, оказалось, что наличие в них большой невидимой массы — повсеместное явление в космосе. Массивная корона невидимой материи может распространяться в некоторых случаях на величину до трех радиусов диска. Если включить (а это совершенно необходимо) корону в картину общей морфологии нашей Галактики, то окажется, что наше Солнце и, соответственно, Солнечная система расположены отнюдь не на периферии Галактики, как считалось совсем недавно.

Но это не самый важный вывод из наблюдений. Самое главное в том, что невидимая масса вполне может остановить расширение Вселенной. Мы помним, что значение критической плотности во Вселенной, то есть такой плотности, при которой Вселенная становится замкнутой и ее расширение рано или поздно сменится сжатием, составляет ρкр ≈ 10–29 г/см3. Для достижения ρкр плотность невидимого, ненаблюдаемого вещества должна примерно в 70 раз превышать плотность светящейся материи. Когда астрономы начали подсчитывать значение невидимой массы, оказалось, что оно может в некоторых случаях при переходе к все большим и большим системам, достигать значений, близких к критическим.

Конечно же, следует учитывать то обстоятельство, что здесь степень нашего незнания определяется отсутствием информации о том, какая доля массы спиральных галактик недоступна сейчас для наблюдений. Вопрос о том, что представляет собой эта невидимая масса, также нельзя считать решенным. Ненаблюдаемая материя может быть представлена несостоявшимися звездами — гигантскими планетами типа Юпитера, а может быть, блуждающими планетами еще большей, чем Юпитер, массы. Быть может, это черные дыры. Наиболее «удобный» на сегодня кандидат — нейтрино, обладающие массой покоя, или гипотетические тяжелые частицы — монополи, фотино, гравитино. Многие из этих экзотических частиц могли в принципе дожить со времени начала Большого Взрыва и до наших дней (в том случае, конечно, если они устойчивы). Итак, мы видим, что кропотливое и тщательное изучение галактик дает материал исключительной важности для решения глобальных проблем космологии.

 

Галактики задают вопросы

 

При исследовании галактик всегда возникает великое множество самых различных загадок. Возьмем, к примеру, Большое Магелланово Облако. Расположенное далеко на южном небе, недоступное для телескопов северного полушария, оно давно привлекает внимание наблюдателей-астрономов. Магеллановы Облака были впервые описаны во время первого кругосветного путешествия. Это самые близкие к нам галактики, с обильным и широким составом объектов. Интересно, что в некоторых случаях наблюдения удобнее проводить не в нашей Галактике, а в Магеллановых Облаках, поскольку наблюдениям, производящимся в направлении главной плоскости Галактики, мешает расположенная там темная пылевая материя. В то же время направления на Большое и Малое Магеллановы Облака составляют углы 33° и 45° с плоскостью Галактики. Следовательно, поглощение света пылевой материей не мешает наблюдениям.

Огромным «преимуществом» звезд Магеллановых Облаков по сравнению со звездами нашей Галактики является то, что, поскольку размеры Облаков малы по сравнению с расстояниями до них, все звезды Облаков можно считать расположенными на одном и том же расстоянии до нас. Именно это важное обстоятельство дало возможность в 1910 году разработать метод определения расстояний по изменению блеска цефеид.

В Большом Магеллановом Облаке очень много ярких молодых звезд. Там находится около 5 тысяч голубых сверхгигантов, каждый из которых светит ярче, чем 10 тысяч солнц. Но самый интересный объект находится в Большом Магеллановом Облаке, в созвездии Золотой Рыбы. В этом созвездии есть туманность Тарантул, а в ней объект R 136, который уже многие годы будоражит воображение астрономов и астрофизиков. Этот объект расположен около центра туманности. В видимой части спектра он светит в миллион раз сильнее, чем Солнце, а в ультрафиолете и того больше — в 50 миллионов раз. Если бы на месте самой близкой к нам звезды — проксима Центавра находился этот объект, он светил бы ярче, чем несколько лун.

В 1980 году удалось установить, что R 136 состоит из трех компонентов, и самый яркий из них был назван R 136а. Можно предположить, что R 136а — самая массивная из известных на сегодняшний день видимых звезд. Температура ее «поверхности» заключена в пределах 45 тысяч — 80 тысяч K. (Напомним, что «температура» поверхности нашего Солнца всего 6000 K.) Но это еще не все. Этот объект непрерывно теряет массу в результате истечения из него газа. Это так называемый звездный ветер. Но для объекта R 136а это уже не ветер — это звездный ураган: вещество удаляется от объекта со скоростью 3500 км/сек.

В 1983 году удалось выяснить, что R 136а состоит по крайней мере из четырех звездообразных объектов. Доминирующий объект был назван R 136а1. И здесь возник следующий очень важный вопрос: является ли R 136а1 одиночной звездой или же это скопление очень ярких звезд? Дело в том, что по астрономическим масштабам диаметр этого компонента совсем невелик — всего 24 световых дня (ближайшая к Солнцу звезда находится на расстоянии около 4 световых лет). Если это коллектив звезд, то тогда в сравнительно небольшой объем нужно затолкать около двух десятков массивных ярких звезд. Таких примеров мы не знаем.

Вообще ведь очень ярких звезд не так много, а звезд такого типа, как объект R 136а1, и того меньше. Известная на сегодняшний день максимальная концентрация ярких звезд — 4 звезды в объеме с линейным размером около 10 световых лет. А в случае с R 136а1 размеры намного меньше, а звезд больше. Так что в этом варианте трудности достаточно велики. Но они становятся еще больше, если предположить, что R 136а1 — отдельная самостоятельная звезда.

Еще примерно 60 лет назад английский астроном А. Эддингтон установил, что звезда определенной светимости не может иметь массу меньше некоторого определенного предела и оставаться при этом в равновесии. С другой стороны, сравнительно недавно Ф. Кан из Манчестерского университета показал, что существует верхний предел массы звезд, образующихся из газопылевых облаков. В работе Кана этот предел составил 40 солнечных масс. Но если R 136а1 — одиночная звезда, то ее масса должна быть заключена в интервале между 400 и 1000 солнечных масс.

Как и многие другие оценки, используемые в астрофизике, оценки Кана сильно зависят от заложенных в исходные данные параметров. При небольшом изменении параметров можно в принципе «получить» протозвезду с массой около 100 масс Солнца. Но эти расчеты, как и многие другие, не учитывают всех возможных факторов.

Для объяснения феномена туманности Тарантул привлекаются волнующие воображение процессы, как слипание звезд, находящихся в малом объеме пространства, и, конечно же, наличие черной дыры в этой туманности. Теоретики буквально спасают современную астрономию. Действительно, что было бы без черных дыр гравитонов, гравитино, массивных нейтрино, магнитных монополей? Число необъяснимых явлений в нашем мире было бы просто-напросто устрашающим, а так, всегда имея «в запасе» черную дыру или еще какой-либо экзотический объект, можно без труда объяснить самые сложные вещи.

Исследование галактик вносит вклад не только в космологию, но и в вопросы звездной эволюции. Объекты, подобные туманности Тарантул, нельзя считать уникальными. Так в галактике М 101 есть несколько туманностей, каждая из которых светит в пять раз сильнее, чем туманность Тарантул, причем светимость одной из них в 11 раз превышает светимость Тарантула.

Проявление активности в других галактиках принимает не менее впечатляющие формы, чем в Большом Магеллановом Облаке. В последнее время наблюдения с помощью радиотелескопов обнаружили новое удивительное явление, получившее название «космических выбросов». «Выброс» представляет собой довольно узкий поток плазмы из центра Галактики. Обнаруживается выброс по испускаемому им радиоизлучению, протяженность его достигает иногда миллионов световых лет.

Вообще говоря, выбросы были известны астрономам достаточно давно — в начале нынешнего столетия. Естественно, наблюдения можно было тогда проводить только в оптическом диапазоне электромагнитных волн. Но лишь с введением в строй радиоастрономических обсерваторий и радиоинтерферометров было принципиально улучшено разрешение, что дало возможность изучать детали и структуру как самих выбросов, так и их источников. Действительно, разрешение, которое сейчас можно получить в радиодиапазоне, достигает тысячной доли секунды. Это соответствует поперечнику двадцатикопеечной монеты, рассматриваемой с расстояния около 4 тысяч километров. Ученые сегодня знают много примеров космических струй, но реальные механизмы, приводящие к образованию выбросов, неизвестны.

В южной части неба нашего северного полушария радиоастрономы давно изучают оптическую галактику NGC 5128, с которой связан Центавр Α — один из сильнейших радиоисточников на небе. Размеры этого радиоисточника огромны — около 3 миллионов световых лет. Если бы мы могли увидеть этот источник на небе, он выглядел бы как объект в 20 раз больше Луны.

Так вот, вещество, образующее эту гигантскую радиообласть, исторгается из центра галактики, словно струя из шланга. Интересно то, что струя односторонняя. Хотя природа любит симметрию, наблюдается несколько случаев односторонних выбросов из ядра. Причина подобной асимметрии неизвестна, однако попытки объяснения подобного явления существуют. Мы не будем сейчас о них говорить. Остановимся вкратце на вопросах о причинах высокой галактической активности.


i 061

Эллиптическая галактика NGC 5128.

Энергия радиообластей, окружающих активные галактики, может достигнуть 1060 эрг. Чтобы получить такую величину, надо было бы превратить в энергию массу 10 миллионов звезд. Что касается конкретного случая активности NGC 5128, то здесь можно сказать следующее. Структура этой галактики нестандартна: она представляет собой как бы комбинацию эллиптической и спиральной структур. На камертонной диаграмме Хаббла мы не видим подобных гибридов. Причиной такого явления может служить уже обсуждавшийся нами галактический каннибализм. В данном случае эллиптическая галактика — каннибал, а спиральная — миссионер. Поглощенный в процессе каннибализма материал может быть топливом для источника в ядре галактики.

Но что же происходит в самом источнике, какой механизм может обусловить возникновение огромных выбросов?

Читатель, по-видимому, уже догадался, что и здесь дело не может обойтись без черной дыры, расположенной в центре оптической галактики. Если принять, что КПД источника по превращению массы в энергию равен 10 процентам, то для обеспечения деятельности источника достаточно превращать в энергию 1/10 массы Солнца в год. Топливом для источника могут служить газовые облака, падающие на ядро. Нельзя исключить того, что источник разрывает звезды, которые расположены вблизи ядра галактики, и «заглатывает» их.

Здесь очень важными являются принятые цифры величины коэффициента полезного действия источника, 10-процентный коэффициент полезного действия по превращению массы в энергию никак не может быть обеспечен термоядерными реакциями, эффективность которых менее 1 процента. Кроме того, термоядерные реакции сопровождаются тепловым излучением. Однако данные наблюдений свидетельствуют о том, что Центавр Α генерирует нетепловое синхротронное излучение.

Итак, объяснить активность ядра NGC 5128 простыми аргументами не удается. Поэтому в качестве возможного источника рассматривается вращающаяся черная дыра с массой порядка миллиарда солнечных масс. Такая дыра могла бы объяснить многие особенности возникновения космических выбросов. Ведь вокруг черной дыры образуется так называемый аккреционный диск. Он может иметь форму бублика, в середине которого находится черная дыра. Тогда часть падающего газа, проходя близко от черной дыры, будет выброшена вдоль оси ее вращения давлением излучения, идущего с внутренней поверхности аккреционного диска. Таким образом диск будет разгонять частицы и образовывать пучок материи.

Не следует думать, что лишь центр галактики NGC 5128 представляет специальный интерес для астрономии. Это не так. Не меньше загадок содержит центр нашей собственной Галактики, о которой, кстати говоря, мы почти совсем не упоминали.

 

Наша Галактика

 

Гигантская спиральная система, называемая Млечным Путем, входит в Местную систему и является одной из самых больших галактик системы. Вторая крупная галактика — знаменитая туманность Андромеды (Галактика М31 по каталогу Ш. Месье, или по новой классификации NGC 224). Первые представления о Млечном Пути как об отдельной звездной системе сложились в результате выдающейся работы Гершеля, но лишь в 20-х годах нашего века, когда выяснилось, что существуют другие гигантские звездные системы, находящиеся на огромных расстояниях от Млечного Пути, стала окончательно очевидна обособленность нашей Галактики, стал ясен факт, что Галактика — лишь один из бесчисленного количества окружающих нас звездных миров. Вскоре после этого, в 1924–1926 годах обнаружили вращение Галактики, а в 1944-м два типа звездных населений в Галактике. Что это значит?

Звезды отличаются не только по массе и светимости, но и по возрасту. Наиболее старые звезды обеднены тяжелыми элементами. Молодые же по сравнению со старыми обогащены элементами тяжелее гелия. Так вот, оказалось, что звезды, расположенные в плоскости диска Галактики, сравнительно молоды; к их числу от носится наше Солнце.

Кстати, Солнце и Солнечная система расположены не просто в диске, а вблизи плоскости симметрии диска. Существующие оценки показывают, что расстояние между Солнцем и этой плоскостью не превышает 10 парсек, а расстояние до центра Галактики составляет около 10 килопарсек. Звезды же, принадлежащие гало, имеют более солидный возраст, и содержат гораздо меньше тяжелых элементов. Галактическое гало (сферическая часть Галактики) образовано шаровыми скоплениями — компактными группами, содержащими сотни тысяч звезд.


i 062

Схематическое изображение положения Солнечной системы в Галактике.

Лишь в начале 50-х годов было подтверждено предположение о спиральной структуре нашей Галактики.

В мире галактик наш Млечный Путь занимает отнюдь не последнее место. Это гигантская галактика с диаметром диска около 100 тысяч световых лет и толщиной около 30 тысяч световых лет. Масса видимого вещества в Галактике оценивается в 1,5 · 1011 солнечных масс. Но, несмотря на впечатляющую величину массы Млечного Пути, еще большая масса невидимого вещества содержится в короне Галактики. Эта масса оценивается примерно в 1012 масс Солнца.


i 063

Млечный Путь.

Галактика чрезвычайно напоминает живой организм. Она обладает своим внутренним обменом веществ — космическим метаболизмом. Различные объекты Галактики тесно связаны между собой и находятся в процессах непрерывного взаимодействия. Это взаимодействие отчетливо прослеживается на всех уровнях иерархии отдельных систем Галактики.

Чтобы не быть голословным, приведу несколько примеров. Звезды рождаются из массивных газопылевых облаков. В процессе эволюции звезда «нарабатывает» в своих недрах новые элементы. Если в дальнейшем она взрывается в виде сверхновой, эти элементы включаются уже в состав новых звезд.

Сами звезды производят снова газ и пыль, которые поставляются ими в межзвездную среду. Это сильно напоминает школьное выражение о «круговороте веществ в природе». Процесс рождения звезд зависит, например, и от космических лучей, а космические лучи, в свою очередь, производятся сверхновыми.

Что собой представляют космические лучи? Это заряженные частицы очень высоких энергий. Они приходят на Землю в достаточной мере изотропно, то есть примерно в одинаковых количествах со всех направлений. Оценки показывают, что, в принципе, космические лучи не должны долго задерживаться в Галактике. Ведь их скорость близка к скорости света, и поэтому, если бы им ничто не мешало, они покинули пределы Млечного Пути достаточно быстро, за время порядка 100 тысяч лет. На самом же деле они путешествуют в Галактике гораздо больший промежуток времени — около десяти миллионов лет.

Что же меняет столь радикальным образом характерное время пребывания космических лучей в Галактике? Ответ более или менее очевиден: крупномасштабное галактическое магнитное поле. Доказательством тому служит синхротронное радиоизлучение электронов космических лучей, приходящее к нам из районов Галактики, не связанных ни с облаками межзвездного газа, ни с какими-либо другими дискретными радиоисточниками. Таким образом, и космические лучи, и магнитные поля — составные элементы нашей Галактики.

Чрезвычайно важной компонентой Галактики является межзвездная среда. В основном это газ и пыль. Газ — межзвездный водород — можно наблюдать по излучению на волне 21 сантиметр. Он сконцентрирован в тонком диске, образованном молодыми звездами, и образует отдельные облака. Интересно, что некоторое количество газа обнаружено вне диска. Водород может присутствовать как в атомарной, так и в молекулярной форме.

Гигантские молекулярные облака содержат в форме молекулярного водорода H2 значительную часть массы межзвездного газа в нашей Галактике. Их характерный размер составляет 20–30 парсек, а иногда и того больше. Солнечная система просто потерялась бы внутри такого облака. Его масса в сотни тысяч раз превышает массу Солнца. Таким образом, гигантские облака молекулярного водорода являются наиболее массивными изолированными объектами в Галактике. Неудивительно, что они могут играть особую роль в ее динамике.

Удивительно скорее другое обстоятельство. Ведь вещество облака — молекулярный водород — практически невидимо, и большая часть сведений о нем получена весьма косвенным образом, по данным радиоизлучения входящего в состав облака молекул угарного газа на длине волны 2,6 миллиметра. Именно поэтому острые дискуссии относительно точного значения массы облаков, их размеров, причин образования и т. д. не утихают и по сегодняшний день, а разногласия между оценками, сделанными различными группами исследователей, весьма значительны. К тому же стоит отдельно подчеркнуть, что происхождение гигантских облаков до сих пор остается загадкой.

Скажем прямо — это отнюдь не единственная загадка. Массу проблем ставит перед астрономами и центр Галактики. Положение осложняется тем, что центральная область Млечного Пути скрыта от нас второй важной компонентой межзвездной среды — пылью. Она настолько сильно поглощает в оптическом диапазоне (до 30m), что наблюдения здесь практически невозможны. Поэтому астрономы используют данные о центрах других, похожих на нашу галактик для оценок звездного состава центра Млечного Пути. Тем не менее информацию о центральных областях астрономы могут все-таки получить, исследуя эти районы в инфракрасном, рентгеновском и гамма-диапазоне.

Мы уже говорили о том, что центры галактик проявляют различные формы активности, и наша Галактика не является исключением. Центральные области Галактики можно подразделить на три характерные зоны.

В зоне, имеющей радиус около 4 килопарсек, наиболее интересно резкое падение плотности газа. Образуется своего рода «дырка» в газовом диске Галактики.

На расстоянии от центра в 600–700 парсек проходит «граница» очень интересного района, который принято называть звездным балджем (от английского слова bulge — выпуклость). Эта область напоминает собой и по «форме» и по «содержанию» небольшую эллиптическую галактику, вкрапленную в центр Млечного Пути. Так же как эллиптические галактики, балдж содержит в основном старые звезды, возраст которых существенно больше среднего возраста звездного населения диска.

Как я уже говорил, наблюдение центрального района Млечного Пути в оптическом диапазоне сильно затруднено, и поэтому приходится изучать балджи других спиральных галактик. В нашей Галактике балдж проявляет себя по инфракрасному излучению. Основной вклад в это излучение вносят красные гиганты. Оценки дают значение массы балджа примерно в 30 миллиардов солнечных масс.

Наиболее загадочная область Галактики — центральный парсек. По космическим масштабам эта область невелика, но здесь наблюдаются аномалии, не имеющие пока удовлетворительного объяснения. К примеру, там находится «мини-спираль» — необычный источник радиоизлучения диаметром всего в 12 световых лет, а также другой быстропеременный компактный радиоисточник с периодом порядка нескольких минут. Этот источник расположен точно на оси вращения Галактики.

В том же направлении находится совершенно необыкновенный объект, уникальный источник, излучающий узкую линию, соответствующую аннигиляции электронов и позитронов!

Там же расположен точечный рентгеновский источник переменной интенсивности.

Объяснить наличие всех этих источников в сравнительно маленькой области пространства довольно трудно, и здесь, как обычно, на помощь приходят черные дыры. Я специально употребил здесь множественное число, поскольку одной дыры для объяснения всех чудес в центре нашей Галактики не хватает.

По модели Н. Кардашева, в центре Галактики должна находиться пара черных дыр, причем масса каждого из компаньонов порядка миллиона солнечных масс. Наличие такой пары дает возможность объяснить природу и параметры компактного радиоисточника и загадочной аннигиляционной линии.

В модели Кардашева вращательная энергия черной дыры преобразуется в конечном счете в энергию пучков релятивистской электронно-позитронной плазмы, направленных вдоль осей вращения черных дыр. Наблюдаемые по соседству с центральным парсеком облака атомарного водорода в рамках этой модели могут быть остатками звезд, разрушенных при взаимных столкновениях или разорванных приливными силами черных дыр. Облака эти были выброшены из области центрального парсека благодаря эффекту пращи.

Согласно альтернативным моделям центрального парсека там сравнительно недавно произошел взрыв сверхновой в массивной двойной системе. Остаток после взрыва также может быть источником позитронов, аннигиляция которых и дает наблюдаемую линию.

Перейдем теперь к проблемам, связанным с вращением Галактики. Для начала попытаемся объяснить происхождение этого вращения. Согласно наиболее популярной точке зрения на ранних стадиях эволюции протогалактики были гораздо больших размеров, чем нынешние галактики. Кроме того, космологическое расширение не успело разогнать их далеко друг от друга, и поэтому в эпоху образования протогалактикам в ранней Вселенной было довольно тесно. В этой ситуации приливные взаимодействия могли вызвать вращение галактик, причем, когда мы рассматриваем для простоты взаимодействие двух галактик, они приобретают одинаковые угловые моменты, направленные в противоположные стороны. Поскольку угловой момент — величина сохраняющаяся, то при падении вещества к центру галактик их вращение все время увеличивается. В какой-то момент времени падение вещества к центру прекращается и скорость вращения галактик стабилизируется.


i 064

Спиральная галактика M51.

Наша Галактика вращается довольно сложным образом. Значительная часть материи Галактики вращается дифференциально. Поясним, что это такое. Хорошим примером дифференциального вращения служит вращение планет вокруг Солнца. Они движутся по своим орбитам согласно закону всемирного тяготения, и каждой планете «совершенно безразлично», как и по какой орбите двигается другая (конечно, достаточно далекая планета).

Есть другой тип вращения — твердотельный. Здесь уже картина совершенно другая. Пример твердотельного вращения музыкальный диск, крутящийся на проигрывателе. Здесь угловая скорость вращения для любой точки диска одинакова.

В Галактике твердотельно вращается лишь некоторый участок диска, в котором линейная скорость возрастает пропорционально радиусу. Соответственно, мы можем сказать, что эта область Галактики вращается твердотельно с постоянной угловой скоростью. За этим участком начинается дифференциальное вращение, и скорость вращения здесь уменьшается с увеличением расстояния от центра.

Самым примечательным процессом в проблеме вращения является движение спиральных рукавов. В них содержится значительное количество газа и пыли, в них происходят интенсивные процессы звездообразования, молодые звезды здесь встречаются чаще, нежели в других областях Галактики. Но как и почему возникает спиральная структура в галактиках?


i 065

Спиральная галактика с перемычкой.

Этот вопрос интересует астрономов более 50 лет. Еще в 1928 году Джинс писал: «Каждая неудача при попытках понять происхождение спиральных ветвей делает все более и более трудным противостоять подозрению, что в спиральных туманностях действуют совершенно неизвестные нам силы, быть может отражающие новые и неожиданные метрические свойства пространства.

Предположение, которое настоятельно возникает, состоит в том, что центры туманностей имеют характер сингулярных точек. В этих точках материя втекает в наш мир из некоторого иного и совершенно постороннего пространства. Тем самым обитателю нашего мира сингулярные точки представляются местами, где непрерывно рождается материя».

Сейчас, более чем через полвека после написания этих слов, мы знаем, что действительно в центрах Галактик могут находиться сингулярные точки — черные дыры, что они могут по крайней мере перерабатывать материю. Ф. Хойл также полагал, что в ядрах галактик рождается и впоследствии истекает оттуда материя, из-за чего и образуется в результате спиральная структура.

Сравнительно недавно известный советский астроном Б. Воронцов-Вельяминов пришел к выводу о том, что для объяснения многообразия всех структур галактик необходимо вводить некие новые, неизвестные физике типы взаимодействий.

Конечно же, неортодоксальные гипотезы существуют всегда. Даже когда какая-либо теория становится канонической, общепризнанной. Ну а когда ситуация в целом ясна еще не до конца, то попытки решения вопросов с помощью «первых принципов» и неортодоксальные модели долгое время идут параллельными курсами.

Тем не менее в последние годы оптимизм астрофизиков в вопросе спиральной структуры галактик, ее происхождения и эволюции сильно возрос. Это связано в первую очередь с появлением идеи о волнах плотности, распространяющихся по галактическому диску, и процесс распространения представляет собой как раз твердотельное вращение спиральных рукавов.

Попробуем разобраться в этом вопросе несколько подробнее.

Прежде всего отметим, что спиральных галактик очень много — порядка 70 процентов от всех наблюдаемых галактик. Во многих случаях удалось выявить прямую связь между такой важной характеристикой спирального узора, как степень закрученности в зависимости от видимого распределения массы в галактике. Оказалось, чем сильнее сосредоточено вещество к центру галактики, тем сильнее закручены спиральные рукава. Чем массивнее сама галактика в целом, тем более развита в ней спиральная структура.

Выраженная спиральная структура присутствует в галактиках с твердотельным вращением, в галактиках с перемычкой, в галактиках, имеющих близкий спутник. Таким образом, спиральные рукава — явление, широко распространенное в мире галактик.

Любая теория спиральной структуры должна ответить, как минимум, на два основных вопроса: почему в некоторых галактиках наблюдается ярко выраженный спиральный узор и почему этот узор существует довольно долго, выживает на протяжении многих оборотов Галактики, несмотря на разрушающее воздействие дифференциального вращения? С наибольшей полнотой на эти вопросы ответила теория волн плотности. Что это такое?

Волна плотности — состояние уплотнения материи, распространяющееся по диску Галактики. Это состояние не переносит за собой материю, не тащит ее за собой, а просто вовлекает «в игру» по мере своего распространения новые и новые участки диска, волна переходит от одних частиц (звезд!) к другим, создавая уплотнение в новом месте. Так, волной плотности является любая звуковая волна. Она распространяется в материальной среде, создавая по мере движения уплотнения в различных участках среды, но не увлекает за собой частицы среды.

Если бросить камень в воду, мы увидим на поверхности воды кольцевые волны. Но если размешивать сахар в стакане с чаем ложечкой, то каждый может наблюдать возникновение спиральных структур. Примерно то же самое происходит в галактических дисках.

Несмотря на то, что диск, по крайней мере часть его, вращается дифференциально, спиральный узор всегда вращается с одной и той же угловой скоростью — твердотельно. Теоретический анализ показал, что если спиральные рукава — волны плотности, то они должны быть достаточно устойчивыми образованиями.

Концепция волн плотности приводит к целому ряду очень интересных последствий.

Первое из них состоит в следующем. Волна создает уплотнение в распределении звезд диска, а гребни волны имеют форму спиральных рукавов. Но изменение плотности в гребне волны не сильно отличается от средней плотности распределения звезд в диске. Этот контраст плотности вообще нельзя было бы заметить на фотографиях, если бы звезды в рукавах были такими же, как и в диске. Однако в кромках спиральных рукавов происходит интенсивное звездообразование и там присутствуют молодые звезды, которые на начальной стадии своей эволюции гораздо более ярки, чем большинство звезд диска. Высокая скорость превращения газа в звезды может быть связана со сверхзвуковыми течениями межзвездного газа через рукав. Из-за этого на входе газа в рукав, то есть на кромке рукава, образуются ударные волны, всегда появляющиеся при переходах к сверхзвуковым процессам. В ударной волне газ сильно сжимается, и это может служить началом процесса звездообразования.

Второе интересное следствие, вытекающее из концепции ударных волн, было отмечено советским астрономом Л. Марочником. Он подметил, что Солнечная система в Галактике находится в выделенном, исключительном положении. Исключительность состоит в том, что скорости вращения волны плотности в месте расположения Солнца на радиусе диска и скорость вращения Солнца по галактической орбите примерно равны. Это означает, что Солнце расположено вблизи так называемого коротационного круга, на котором выполняется условие равенства скоростей твердотельного и дифференциального вращения. Очевидно, что в каждой галактике есть лишь один коротационный круг, который является в ней выделенным местом. Солнце вращается почти синхронно с волной плотности, и это должно было создать специальные условия для эволюции протосолнечного облака.

В зоне круга коротации условия звездообразования, разумеется, отличаются от упомянутых выше. Галактических ударных волн там практически нет, и досолнечное облако поэтому находится в течение всего своего времени жизни в рукаве в спокойных стационарных условиях. Можно показать, что в силу малого отличия в скоростях вращения между Солнцем и рукавами досолнечное облако могло лишь один раз находиться в рукаве. Второй раз пересечь рукав Солнечная система еще не успела. В настоящее время она находится между двумя спиральными рукавами нашей Галактики — Персея и Стрельца.


i 066

Галактика NGC 7217 в созвездии Пегаса.

Конечно же, расположение Солнца в специфических условиях близости к коротации может быть чисто случайным и не иметь непосредственного отношения к формированию Солнечной системы со всеми ее особенностями и, в частности, с наличием разумной жизни в Солнечной системе. Однако, если это вещь не случайная, то системы, подобные Солнечной, могут образовываться в нашей и в других галактиках именно около коротационного круга, где их стоит, быть может, поискать.

На этом мы и закончим весьма краткий обзор некоторых свойств нашего Млечного Пути. Я старался здесь отметить лишь наиболее интересные вещи, Галактики сейчас привлекают больший интерес астрономов, чем звезды. Это можно объяснить тем, что, с одной стороны, в общих чертах свойства звезд уже понятны к сегодняшнему дню, а, с другой стороны, ввод в строй новой астрономической техники приносит все новую и часто загадочную информацию о галактиках. Физика галактик, как мы уже видели, тесно связана с космологическими проблемами, эволюцией и строением звезд, межзвездной средой. В этой области наблюдается чрезвычайно быстрый прогресс, однако до построения общей стройной теории происхождения и эволюции галактик еще далеко.

 

Ядра галактик

 

В заключение этой главы мне хотелось бы еще раз вернуться к проблеме активности галактических ядер, поскольку эта проблема в ряде случаев тесно связана с, быть может, самыми интересными и загадочными объектами Вселенной — квазарами.

В той или иной степени радиоизлучательная активность свойственна всем галактикам, и, главным образом, именно по активности в радиодиапазоне удается оценить энергетику процессов, происходящих в ядрах галактик. Есть, однако, и исключения.

В 60-х годах нынешнего столетия небольшая часть радиоисточников на небе была надежно отождествлена со звездами. Астрономам этот результат показался удивительным, поскольку до этого отождествления было хорошо известно, что космические источники радиоизлучения всегда соответствовали либо галактикам, либо туманностям, образовавшимся при вспышках сверхновых звезд. Мы уже говорили о том, что, к примеру, мощность радиоизлучения источника Лебедь-Α в 1028 раз превосходит интенсивность радиоизлучения Солнца. Но упомянутые выше звездоподобные источники были довольно интенсивны, что не могло не привлечь внимания к этому факту вполне естественного интереса астрономов. Именно с этого и началась история открытия знаменитых квазаров.

До 1962 года считали, что квазары (квазизвездные источники — guasi stellar sources) расположены в пределах нашей Галактики. Эта точка зрения подкреплялась переменностью светового излучения радиоисточника 3С48. Хорошо известно, что переменность излучения в оптике — вещь, характерная именно для звезд. Для объяснения свойств квазизвездных объектов было предложено несколько идей.

И. Шкловский предположил, что эти источники связаны с большим числом вспышек сверхновых. Но если эти объекты находятся в Галактике, то почему тогда сверхновых так мало? Выдвигалась гипотеза о цепной реакции взрывов многих звезд, но тогда трудно было объяснить тесную связь между звездами. Ф. Хойл предложил собрать миллионы звезд в одно сверхтело, но эта идея в то время не могла перешагнуть через психологический барьер, из-за которого не допускалась в принципе возможность существования звезд с массой больше 50 масс Солнца. К тому же эти объекты должны были светить ярче целой галактики, что в то время казалось нелепостью. Заметим, что само содержание идеи Хойла о сверхтеле оказалось пророческим, но об этом чуть позже.

Тем временем астрономами предпринимались поистине героические попытки уточнения характеристик квазаров. Так, при наблюдениях источника 3С 273 в Австралии были предприняты беспрецедентные меры предосторожности. С телескопа сняли несколько тонн металла, чтобы иметь возможность наблюдать при меньших углах возвышения. За несколько часов до начала работ район наблюдения был объявлен на «чрезвычайном положении». Местные радиостанции неоднократно повторяли призыв о том, чтобы на время работы телескопа все радиопередатчики были выключены. Все дороги около телескопа патрулировались, чтобы прекратить движение автомобилей в этом районе. Последний штрих этой истории имеет совсем детективный оттенок: два дубликата записей были отправлены в Сидней на отдельных самолетах.

Предосторожности оправдали себя. Оказалось, что 3С 273 — двойной источник, причем положение компонент было определено с рекордной для того времени точностью в 1″. Одна из компонент казалась обычной звездочкой 13-й величины, но при внимательном анализе удалось выяснить, что из «звезды» выходит струя длиной в 100 тысяч световых лет, которая сама является источником оптического и радиоизлучения. И это еще не все. Анализ красного смещения линий источника 3С 273 позволил установить скорость его удаления от нас. Она оказалась огромной — 42 тысячи км/час. Но тогда этот источник находится от нас на расстоянии около 600 мегапарсек. С такими расстояниями астрономы 60-х годов еще «не работали».

Сразу же возник вопрос об интенсивности свечения этого источника в оптике. Ведь если он виден с расстояния около двух миллиардов световых лет как звезда 13-й величины, то его светимость в сто раз превышает светимость нашей Галактики, содержащей сотни миллиардов звезд. Причем кванты квазар излучал в то время, когда Вселенная была совсем молода.

Мы упоминали уже о переменности оптического излучения квазаров. В этом плане особенно интересен квазар 3С 279, который можно сейчас наблюдать как слабопеременную звездочку 18-й величины. Однако на снимках, сделанных до второй мировой войны, он виден как объект почти 13-й величины. Оценки показывают, что в то время 3С 279 светил в десять тысяч раз сильнее нашей Галактики. Но размеры излучающей области очень малы — меньше светового года. К тому же оказалось, что и в рентгеновском диапазоне многие квазары светят в 1000 раз мощнее, чем, например, Млечный Путь.

Гигантская мощность излучения квазаров и ядер некоторых галактик не единственная проблема, которую эти объекты ставят перед астрофизиками. Мы уже говорили о космических выбросах и об их асимметрии. В чем здесь дело? И. Шкловский предположил, что если существует два симметричных выброса, скорость которых близка к скорости света, направленных к наблюдателю под небольшим углом зрения, то из-за релятивистского эффекта Доплера поток излучения от сгустка плазмы, идущей по направлению к нам, будет в сотни раз меньше, чем от удаляющегося пучка. Тот просто-напросто не будет виден. Но механизм, предложенный Шкловским, не в состоянии объяснить односторонность выброса в Центавре-Α, так как там вряд ли достигаются субсветовые скорости. Хотя в других случаях этот механизм, быть может, и работает (выброс в NGC 4486). Существуют, конечно, и другие гипотезы, но окончательной ясности в этом вопросе нет.


i 067

Схема действия гравитационной линзы.

Квазары не так давно поставили ученых перед совершенно ошеломляющим фактом. Дело в том, что в ряде случаев расстояние между компонентами у квазаров 3С 345, 3С 279, радиогалактики 3С 120 увеличивается. Когда были проведены радиоинтерферометрические измерения угловой скорости расширения в этих системах, оказалось, что компаньоны удаляются друг от друга со скоростью, в несколько раз превышающей скорость света! Стоит ли говорить о том, насколько эти результаты озадачили ученых.

Правда, довольно скоро выяснилось, что специальная теория относительности, утверждающая, что любые сигналы не могут распространяться со скоростью, превышающей скорость света, может жить спокойно. В данном случае наблюдалась кажущаяся скорость разлета. Читатель сам без труда может построить чисто геометрические конструкции с источником света (вращающийся прожектор), когда можно мерить кажущуюся скорость, превышающую скорость света. В случае квазаров было убедительно показано, что наблюдатель будет видеть кажущуюся скорость разлета, превышающую скорость света тем больше, чем больше скорость выбросов и чем меньше угол между вектором их скорости и лучом зрения. Таким образом, с этой неприятностью как будто покончено.

В 1979 году весь астрономический мир был буквально ошарашен открытием пары квазаров, столь одинаковых по своим характеристикам, что их можно было бы считать близнецами, тем более что расположены они были на небе рядом друг с другом, на расстоянии всего в 6″.

Их красное смещение оказалось к тому же практически одинаковым. Казалось абсолютно невероятным, чтобы два столь близких квазара имели бы столь схожие характеристики. И ученые тогда предположили, что эти квазары — изображение одного и того же объекта на небе! Как подобная вещь может случиться? Мы знаем из теории относительности о реальном отклонении луча вблизи гравитирующей массы. Это было подтверждено экспериментально на примере Солнца. Предположим, что между Землей и далеким квазаром расположено очень массивное тело, например галактика. В этом случае галактика будет действовать как гравитационная линза, искривляя поток излучения квазара неравномерно. Гравитационная линза — настолько неординарное явление природы, что о нем стоит рассказать чуть подробнее.

Еще в 1938 году известный русский астроном Т. Тихов, известный своими работами по астробиологии, опубликовал статью под названием «Следствия возможного отклонения световых лучей в поле тяготения звезд». А за два года до этого Эйнштейна посетил чешский инженер-электрик Р. Манда, который предположил, что в космосе могут находиться гравитационные линзы — звезды. Эйнштейн по его просьбе провел необходимые расчеты и опубликовал небольшую заметку «Линзоподобное действие звезды на отклонение света в гравитационное поле».


Схематическое изображение квазара как центра массивной галактики.

Справедливости ради нужно сказать о том, что еще в 20-х годах нашего столетия английские астрономы О. Лодус и А. Эддингтон рассмотрели некоторые оптические эффекты, возникающие при прохождении света в гравитационном поле звезды. Эддингтон указывал даже на возможность появления двух изображений одного объекта. Сейчас имеются дополнительные свидетельства в пользу действия во Вселенной гравитационных линз.

По поводу квазаров можно сформулировать два наиболее интригующих вопроса. Связаны ли квазары генетически с ядрами галактик или это принципиально новый объект во Вселенной? Какова природа чудовищного излучения квазаров?

Попробуем разобраться с первым вопросом. Некоторые спиральные галактики имеют ядра чрезвычайной яркости. Они были открыты американским астрономом К. Сейфертом в 1943 году и называются с тех пор его именем. Возникает вопрос: не может ли яркая сейфертовская галактика, находящаяся очень далеко от нас, быть принята за квазар? Ведь на большом расстоянии можно увидеть лишь ее ядро, не заметив спиральных рукавов? И действительно: исследуя большие выборки квазаров, удалось установить в ряде случаев наличие у них дополнительной структуры вокруг наиболее яркого участка, причем иногда эта структура напоминала структуру галактик. Эти результаты убеждают нас, что квазары тем или иным образом соотносятся с ядрами галактик. Возможно, что галактики проходят через стадию квазаров, когда их ядра экстремально ярки. И тогда в ядрах других, менее ярких галактик могут находиться сейчас мертвые квазары.

Но что питает живой квазар? Каково его строение? Конечно же, при решении очередной загадки, поставленной перед нами природой, не обошлось без черной дыры. Схема здесь в общем-то идентична той, которую мы рассматривали в галактике NGC 5128.

Предполагается, что в центре квазара или в центре галактического ядра имеется компактный сверхмассивный объект — черная дыра с массой примерно в миллиард солнечных масс. Такие сверхмассивные черные дыры могут образовываться в процессе роста «обычной» черной дыры массой в несколько десятков солнечных. Впоследствии эта дыра растет, поглощая звезды, межзвездную среду и, возможно, другие черные дыры, доводя свою массу до «необходимых» значений.

Затем в результате падения газа на черную дыру образуется аккреционный диск, вместе со всеми сопутствующими явлениями, которые могут объяснить экзотические особенности ядер галактик и квазаров. О механизме «работы» аккреционного диска мы уже вкратце говорили. Более подробно этот процесс будет рассмотрен в следующей главе.

Следует ли из всего вышесказанного, что астрофизика полностью разобралась и с квазарами, и с галактиками? Мне кажется, что у читателя вряд ли сложилось подобное впечатление. Самая главная трудность состоит в том, что большая часть моделей построена на кончике пера, «руками». Ведь не следует забывать, что черные дыры до сих пор еще не открыты. Более того, существуют и альтернативные гипотезы, в частности, гипотеза академика В. Амбарцумяна, согласно которой в ядрах галактик находится особая, дозвездная форма материи, так называемые Д-тела. Бесспорно, успехи в решении этих увлекательных проблем будут обусловлены в первую очередь развитием наблюдательной техники в астрономии.

 

Поиск

Поделиться:

ФИЗИКА

ХИМИЯ

Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru