Образование галактик и эволюция типов (6 фото)

19 марта 2003 года группа японских исследователей, возглавляемая Кейчи Кодиарой, Нобунари Касикавой и Есиаки Танигучи, объявила, что в созвездии Волосы Вероники ими с помощью телескопа «Субару» обнаружена самая удаленная из известных нам галактик. Свет, который можно увидеть сейчас, был испущен ею 12,8 млрд. лет назад, когда после большого Взрыва прошло всего около 900 млн. лет и Вселенная находилась в младенческом возрасте. Именно поэтому их изучение позволяет не только приблизиться к видимым границам Вселенной, но и выяснить, что же происходило на самом раннем этапе ее существования, когда галактики, которые нас окружают, еще только формировались. Сейчас многих из них уже не существует — за миллиарды истекших лет галактики рождались, умирали, разбегались и сливались, поглощая друг друга и образуя новые. В частности, судя по всему, и Млечный Путь (галактика, в которой мы живем) через несколько миллиардов лет сольется со своей ближайшей соседкой — Туманностью Андромеды.

В предыдущих статьях («Сотворение мира» и «Будущее мира») мы рассмотрели Эволюцию нашей Вселенной, теперь перейдем к Эволюции ее «составных» элементов — Галактикам.

Ясной, безлунной ночью каждый из нас может видеть Млечный Путь — светящуюся, туманную полосу,

На фотографии «Хаббла», хорошо виден «конвейер», перекачивающий вещество между двумя галактиками. Эти галактики — NGC 1410 (слева) и NGC 1409 (справа) — сильно пострадали при столкновении, которое произошло 100 млн. лет назад.

протянувшуюся поперек неба. А первым, кто рассмотрел ее в телескоп и обнаружил, что она состоит из множества слабых звезд, был Галилей. В середине XVIII века астрономы предположили, что большинство наблюдаемых звезд образуют единую дискообразную структуру. И полвека спустя эта гипотеза была подтверждена Уильямом Гершелем, составившим каталог огромного числа звезд и расстояний до них. К началу ХХ века общепринятым стало мнение, что эта звездная полоса — часть единственной во Вселенной галактики, которая «приютила» миллиарды звезд, включая и наше Солнце. Сейчас предполагается, что в видимой части Вселенной находится около 40 миллиардов галактик.

Имя человека, который в 1924 году открыл, что наш Млечный Путь — лишь песчинка в море, постоянно находится на слуху. Звали его Эдвин Хаббл, и именно в его честь был назван ставший уже знаменитым орбитальный телескоп, который с момента своего запуска в 1990 году считается одним из основных инструментов астрофизиков в исследовании Вселенной.

В 1920-е годы, исследуя спектры излучения далеких звезд, астрономы обнаружили, что они смещены в красную сторону по сравнению со спектрами ближних звезд. По их предположению, скорее всего, благодаря эффектy Доплера, состоящему в том, что если некий объект, испуская волны любой природы, приближается к наблюдателю, то он будет «видеть» волны меньшей длины, а если объект удаляется — то большей. Простой пример — в том случае, если мимо вас проносится электричка, то при ее приближении гудок из высокого тона резко переходит в низкий. Эта ситуация аналогична и для электромагнитного излучения. Свет приближающегося объекта смещается к фиолетовой части спектра (менее длинные волн), а удаляющегося — к красной (более длинные волны).

Затратив годы на составление каталогов спектров галактик и расстояний до них, Хаббл к 1929 году обнаружил, что почти все галактики удаляются от нас (в то время считалось, что движутся они хаотично, то есть количество приближающихся и удаляющихся должно быть примерно одинаковым) и, более того, их спектры смещены в красную область тем сильнее (то есть скорость убегания тем выше), чем более галактика удалена.

Можно было предположить, что именно наша Галактика является центром расширяющегося мироздания, но гораздо более логичным представлялось другое объяснение — во Вселенной нет «центра», от которого бы разлетались галактики, она одинакова во всех направлениях. Расширение Вселенной, ставшее величайшим открытием космологии, надо понимать как разлет галактик (точнее, скоплений галактик), приводящий к непрерывному увеличению расстояния между ними. При этом их собственные размеры практически не меняются, поскольку представляют собой гравитационно связанные системы объектов.

На первый взгляд может показаться, что галактики беспорядочно рассеяны во Вселенной, на деле же космический хаос имеет свои закономерности. Разнообразные по форме и размеру галактики группируются в скопления, которые в свою очередь являются частями еще больших группировок, названных «сверхскоплениями». Например, Млечный Путь вместе с Туманностью Андромеды и еще 34 меньшими галактиками входит в состав так называемой Местной Группы, имеющей в поперечнике несколько миллионов световых лет.

Размеры галактик простираются от карликовых с какими-нибудь десятками миллионов звезд до массивных — с тысячами миллиардов звезд. Хотя, несмотря на их внешнее разнообразие, все они могут быть отнесены к тому или иному типу строения.

Сферические или эллипсоидные галактики имеют красноватый цвет, создаваемый их состарившимися обитателями. Их размеры меняются от гигантских звездных систем диаметром в сотни килопарсек, до карликовых — порядка одного килопарсека. И находятся они почти всегда в богатых галактических скоплениях.

Весьма распространены спиральные (или дисковые) галактики. Их плоские диски погружены в разряженное слабосветящееся сферическое облако слабых старых звезд и газа — гало. На диске заметен спиральный узор из двух или нескольких закрученных в одну сторону рукавов, выходящих иногда из центра галактики. Эффектные спиральные рукава выделяются за счет сверкающих, молодых голубых звезд. У некоторых спиральных систем в центральной часты имеется почти прямая звездная перемычка, от которой начинаются спиральные рукава. Некоторые спиральные системы, видимые с ребра, похожи на толстое или тонкое веретено, часто пересеченное темной полосой поглощающей материи.

Последовательность из четырех изображений показывает слияние двух черных дыр и галактик, в центрах которых они находятся. Несколько сот миллионов лет они вращаются вокруг их общего центра, прежде чем образовать единую черную дыру. Такое слияние должно, как ожидается, сопровождаться интенсивным излучением гравитационных волн. Среднее изображение — реальное столкновение галактик.

Используя компьютеры, ученые моделируют различные варианты столкновения галактик. На верхнем изображении галактики уже сблизились, но расстояние между ними еще велико и гравитационное взаимодействие еще не исказило их форму. На нижнем — галактики уже столкнулись. Сильно искореженные центральные области довольно быстро сольются в единую галактику.

В отличие от них линзовидные галактики внешне гораздо менее привлекательны и фотогеничны — они хоть и обладают выпуклой центральной частью и тонким диском, как и спиральные галактики, но не имеют их эффектных спиральных рукавов, но иногда в наружных частях «линз» видны некоторые их зачатки, перемычки и наружные кольца.

Во время наблюдений было обнаружено и множество совершенно бесформенных, клочковатых галактик, получивших название неправильных. Около половины вещества в них составляет межзвездный газ.

Полная энергия, которую испускает «нормальная» галактика, представляет сумму излучений от всех ее звезд. Но есть такие галактики, которые в радио-, инфракрасной, ультрафиолетовой и рентгеновской областях электромагнитного спектра испускают энергии больше, чем следует. Такие галактики называются «активными». В чем же источник этой дополнительной энергии? Ответом на этот вопрос стало открытие черных дыр — объектов, в которых материя сжата настолько плотно, что не выпускает за свои пределы никакого излучения. Если черная дыра с массой от миллиона до миллиарда солнечных масс находится в центре галактики с большой плотностью вещества, то это вещество «эасасывается» черной дырой. При этом гравитационные силы настолько велики, что заставляют падающее вещество излучать, превращая галактику в активную. Именно это излучение и выдает ученым присутствие черных дыр.

Самые удаленные и самые яркие объекты — квазары (сокр. от «квазизвездные источники») из области меньшей, чем наша Солнечная система, испускают больше света, чем вся наша Галактика. По-видимому, это сверхмассианые черные дыры, находящиеся в центрах галактик, которые преобразуют гравитационную энергию падающей материи в излучение, заставляя его светиться. Возраст самых отдаленных квазаров, обнаруженных астрономами, составляет примерно 12 миллиардов лет, что лишь немногим меньше возраста Вселенной и свидетельствует о «бурной» молодости галактик.

На ранних этапах эволюции Вселенной, когда ее размеры были в 3-5 раз меньше современных, квазаров было значительно больше, чем сейчас. В настоящее время считается, что черные дыры есть в центрах почти всех близких галактик и представляют они собой бывшие квазары, собирающие материю значительно медленнее, чем они это делали в пору своей юности. И происходит это совсем не потому, что они «выдохлись», просто в окрестностях черных дыр стало меньше материала для поглощения. Вполне возможно, что квазары — это определенный этап развития галактики и что все современные галактики, в том числе и наша собственная, когда-то были квазарами.

Близкими родственниками квазаров, очевидно, являются Сейфертовские галактики и радиогалактики. Сейфертовскими называются галактики, в видимой области излучения похожие на обычные спиральные, но с очень активными ядрами, мощность излучения которых к тому же сильно меняется со временем, указывая на происходящие там грандиозные процессы. Радиогалактики, отличающиеся мощным излучением в радиодиапазоне, являются огромными эллиптическими галактиками. Мощности Сейфертовских и радиогалактик также обеспечиваются сверхмассивными черными дырами, находящимися в их центрах. Не исключено, что все это разнообразие типов — просто определенные этапы эволюции галактик, которые наблюдаются во Вселенной сейчас

Согласно принятой иерархической модели формирования галактик первыми структурами, образовавшимися в ранней Вселенной, являются маленькие протогалактики, массы которых составляют всего несколько тысяч Солнц. Появляется все больше доказательств того, что главными движущими силами эволюции галактик и причиной их разнообразия являются взаимодействие и столкновение галактик друг с другом. При этом не следует думать, что столкновение двух галактик будет представлять собой бесчисленные столкновения между входящими в них звездами. На самом деле, вероятность столкновения двух звезд очень мала, потому что размеры их очень малы по сравнению со средним расстоянием между ними. Но межзвездное пространство заполнено газом и пылью, и именно эти компоненты взаимодействуют, когда галактики сталкиваются. Гравитационное взаимодействие приводит к нарушению структуры газопылевой среды и к перекачиванию вещества из одной галактики в другую.

Трение, возникающее между газом в сталкивающихся галактиках, порождает ударные волны, которые моryт вызвать образование новых звезд. Новые звезды в первые несколько миллионов лет своей жизни имеют весьма необычную светимость и голубизну, а потому обнаружение таких звезд является наиболее очевидным признаком произошедшего столкновения. Эти процессы радикально влияют на их структyру. Например, две спиральные галактики могут слиться и сформировать эллиптическую. Большие галактики поглощают маленькие и растут до еще больших размеров. Все эти процессы длятся миллионы лет (не так уж много по астрономическим масштабам времени), но вот человеческой жизни явно не хватит на то, чтобы зафиксировать все их стадии. Для того чтобы увидеть динамику, нужно наблюдать несколько пар взаимодействующих галактик в различные моменты их слияния и затем составить последовательность изображений во времени.

Многие активные галактики, включая квазары, также являются частью взаимодействующих или сливающихся систем. Множество далеких, а следовательно, очень старых галактик носят следы разрушения, что свидетельствует о