Структура галактик

Галактики бывают трех типов: спиралевидные, эллиптические и неправильной формы. У спиралевидных галактик хорошо выражен диск, рукава и гало. В центре находится плотное скопление звезд и межзвездного вещества, а в самом центре – чёрная дыра. Рукава в спиралевидных галактиках отходят от их центра и закручены вправо или влево в зависимости от вращения ядра и чёрной дыры (точнее, сверхплотного тела) в его центре. В центре галактического диска находится сферическое уплотнение, называемое балджем. Число ветвей (рукавов) может быть различно: 1, 2, 3,… но чаще всего встречаются галактики только с двумя ветвями. В галактиках в гало входят звезды и очень разреженное газообразное вещество, не входящее в спирали и в диск.

Мы живем в спиральной галактике, которая называется Млечный Путь, и в ясную погоду наша Галактика хорошо видна на ночном небе в виде широкой беловатой полосы, пересекающей небосвод. Нам наша Галактика видна в профиль.

Шаровые скопления в центре галактик практически не зависят от положения диска галактики. Рукава галактик содержат сравнительно малую часть всех звезд, но зато в них сосредоточены почти все горячие звезды высокой светимости. Звезды этого типа астрономы считают молодыми, поэтому спиральные ветви галактик можно считать местом образования звезд.

Фотография спиральной галактики " Цевочное колесо" (M101, NGC 5457), получена орбитальным телескопом Хаббл, запущенным NASA в 1990 г. Спиральные галактики похожи на громадные вихри или водовороты в пространстве Метагалактики. Вращаясь, они движутся в Метагалактике подобно циклонам, движущимся в атмосфере Земли.

Эллиптические галактики часто встречаются в плотных скоплениях спиралевидных галактик. Они имеют форму эллипсоида или шара, причем шаровидные обычно бывают больше элипсоидных. Скорость вращения эллипсоидных галактик меньше, чем у спиралевидных, потому диск у них не сформирован. Такие галактики обычно насыщены шаровидными скоплениями звезд. Эллиптические галактики, как считают астрономы, состоят из старых звёзд и практически полностью лишены газа. В их старости я, однако, сильно сомневаюсь. Почему? Расскажу об этом позже.

Галактики неправильной формы обычно имеют небольшую массу и объем, в них входит немного звезд. Как правило, они являются спутниками спиралевидных галактик. В них обычно очень мало шаровых скоплений звезд. Примерами таких галактик являются спутники Млечного Пути – Большое и Малое Магеллановы облака. Но среди неправильных галактик встречаются и малые эллиптические галактики.

В центре почти каждой галактики находится очень массивное тело – чёрная дыра – с такой мощной гравитацией, что его плотность равна или больше плотности ядер атомов. По сути, каждая чёрная дыра – это в пространстве небольшое, а по массе просто чудовищное, бешено вращающееся ядро. Название "чёрная дыра" явно неудачное, так как никакая это не дыра, а очень плотное тело с мощной гравитацией – такой, что даже легкие фотоны не могут из него вырваться. И когда чёрная дыра накапливает в себе чересчур большую массу и кинетическую энергию вращения, в ней нарушается равновесие массы и кинетической энергии, и тогда она исторгает из себя фрагменты, которые (самые массивные) становятся малыми чёрными дырами второго порядка, фрагменты поменьше – будущими звездами, когда соберут на себя большие водородные атмосферы из галактических облаков, а фрагменты мелкие станут планетами, когда собранного водорода не хватит для начала термоядерного синтеза. Думаю, что галактики образуются из массивных чёрных дыр, мало того, в галактиках совершается космический круговорот вещества и энергии. В начале чёрная дыра поглощает вещество, рассеянное в Метагалактике: в это время, благодаря своей гравитации, она действует как "пылегазосос". Вокруг чёрной дыры концентрируется водород, рассеянный в Метагалактике, при этом образуется шарообразное скопление газа и пыли. Вращение чёрной дыры увлекает газ и пыль, отчего шарообразное облако сплющивается, в нем образуются центральное ядро и рукава.

Накопив критическую массу, чёрная дыра в центре газо-пылевого облака начинает выбрасывать фрагменты (фрагментоиды), которые отрываются от нее с большим ускорением, достаточным, чтобы быть выброшенными на круговую орбиту вокруг центральной чёрноё дыры. На орбите, взаимодействуя с газо-пылевыми облаками, эти фрагментоиды гравитационно захватывают газ и пыль. Крупные фрагментоиды становятся звездами.

Чёрные дыры своей гравитацией затягивают в себя космическую пыль и газ, которые, падая на такие дыры, сильно раскаляются и излучают в рентгеновском диапазоне. Когда вещества вокруг чёрной дыры становится мало, ее свечение резко уменьшается. Поэтому в некоторых галактиках в центре видно яркое свечение, а в других нет. Чёрные дыры подобны космическим «убийцам»: их гравитация притягивает даже фотоны и радио волны, отчего сама чёрная дыра не излучает и выглядит как абсолютно чёрное тело.

Но, вероятно, периодически гравитационное равновесие внутри чёрных дыр нарушается, и они начинают извергать сгустки сверхплотного вещества, обладающие сильной гравитацией, под воздействием которой эти сгустки принимают шарообразную форму и начинают притягивать пыль и газ из окружающего пространства. Из захваченного вещества на этих телах формируются твердые, жидкие и газообразные оболочки. Чем массивнее был извергнутый чёрной дырой сгусток сверхплотного вещества (фрагментоид), тем больше он соберет на себя пыли и газа из окружающего пространства (если, конечно, это вещество в окружающем пространстве имеется).

Изучению галактик астрофизика обязана А. Робертсу, Г.Д. Кёртису, Э. Хабблу, Х. Шелли и многим другим. Интересную морфологическую классификацию галактик предложил Эдвин Хаббл в 1926 г. и усовершенствовал ее в 1936 г. Эта классификация называется "Камертон Хаббла". До самой смерти в 1953г. Хаббл улучшал свою систему, а после его смерти это делал А. Сендидж, который в 1961 г. внес существенные новшества в систему Хаббла. Сендидж выделил группу спиральных галактик с рукавами, начинающимися на внешнем краю кольца, и спиральных галактик, у которых спиральные рукава начинаются сразу от ядра. Особое место в классификации занимают спиральные галактики с клочковатой структурой и слабо выраженным ядром. За созвездиями Скульптор и Печь Х. Шелли в 1938 г. открыл карликовые эллиптические галактики с очень низкой яркостью.

Основным недостатком классификации Хаббла де Вокулёр считал то, что разделение спиральных галактик на обладающие и не обладающие баром (бар –"прямая перемычка" на схеме, от которой отходят спирали галактики) недостаточно хорошо отражает существующий диапазон морфологических особенностей спиралей. В частности, де Вокулёр указывал на такие структурные особенности спиральных галактик, как кольца и бальджи. Он обратил особое внимание на кольцеобразные галактики, у которых имеется кольцо вокруг центра галактики, от которого отходят спиральные ветви. Кроме того, де Вокулёр указал, что в Метагалактике спиральных галактик с баром и без него примерно равное количество. В деталях с классификацией галактик де Вокулёра можно познакомиться в интернете на специальных сайтах.

Уильям Морган и Филипп Кинан разработали систему классификации галактик, основываясь на особенностях их спектров излучения.

Газ в спиральных рукавах состоит в основном из водорода. Обычно он практически неионизован, но вокруг горячих звезд водород ионизован. Кроме газа в спиральные облака входит рассеянная межзвездная пыль. Кроме того, в рукавах наблюдаются тонкие полоски, пересекающие рукава, и отдельные темные массы. Концентрация звезд, образующих галактический диск, тоже несколько увеличивается в спиральных ветвях, но не так сильно, как концентрация газа.

Звезды и другие объекты галактического диска движутся по орбитам, близким к круговым. Экспериментально установлено, что угловая скорость этого движения убывает с удалением от центра галактики. При таком характере вращения большие газовые облака растягиваются и становятся похожими на часть спиральной ветви. Дифференцирующее вращение способно создать структуры, похожие на наблюдаемые рукава галактик. В течение нескольких оборотов Галактики такие структуры должны были бы разрушаться, пространственнное распределение водорода, пыли и горячих звезд в галактиках должно становиться все более хаотическим, чего, однако, в большинстве случаев не наблюдается.

Движение газа в галактиках остается загадкой. Газовые галактические спирали тоже вращаются, но гораздо медленнее звезд и других тел. А газ в этих спиралях течет по направлению к ядрам галактик, примерно так, как в земной атмосфере течет к центру атмосферного циклона теплый воздух, постепенно поднимаясь вверх и охлаждаясь. А охладившись, опускается через центр циклона ("глаз" циклона) вниз и растекается прочь во все стороны от этого центра.

Б. Линдблад первым высказал идею о том, что спиральные ветви могут быть волнами плотности. В 1964 г. Ц. Лин и Ф. Шу показали, что в галактиках действительно могут существовать волны плотности спиралевидной формы, вращающиеся с угловой скоростью и распространяющиеся по радиусу с определенной групповой скоростью. Поскольку в Галактике газа мало (2–5% от ее массы), то волны распространяются по звездному населению, в котором они могут возбуждаться, а газ уже реагирует на возмущение гравитационного потенциала, связанного с волнами, бегущими по системе звезд, т.е. его движение в гравитационном поле рукавов является несамосогласованным.

Внешне циклоны очень похожи на спиральные галактики. Кстати, галактики тоже бывают левовращающиеся и правовращающиеся. Возможно, разница в направлении вращения связана с тем, каким знаком к нам обращено магнитное поле черной дыры. Ведь если черная дыра – фактически огромное ядро, то вращающиеся электроны вокруг него должны образовывать облако, а значит, у него должно быть свое магнитное поле!

Звезды в галактиках друг с другом не сталкиваются. Расчитанное время, необходимое по теории вероятности для столкновения двух звезд в результате возможных их сближений, на 3–4 порядка больше возраста самих галактик. Поэтому возможность распространения волн в телах галактик в результате жесткого столкновения звезд маловероятна. В облаках галактик упругость, необходимая для распространения волн плотности, может быть обусловлена силами Кориолиса, к тому же вращающиеся галактики в пространстве Метагалактики передвигаются в определенных направлениях. Нет ответа на вопрос: почему в Метагалактике есть как правовращающиеся галактики, так и левовращающиеся? Для атмосферных циклонов ответ на этот вопрос известен: на планетах есть северное и южное полушария, а закручивает циклоны сила Кориолиса, связанная с вращением планеты вокруг своей оси – с магнитным полем Земли.

Волновая теория спиральной структуры галактик разработана достаточно детально. Однако она не решает всех проблем с их строением. Регулярный спиральный узор наблюдается не во всех галактиках, в некоторых часто видны довольно нерегулярные структуры, состоящие из многих коротких образований, а иногда облаков. Регулярный спиральный узор наблюдается у галактик, имеющих бар, и у галактик со "спутниками". В этих случаях теория объясняет регулярную структуру так: бар в центре галактики действует как генератор, возбуждающий и поддерживающий волны плотности. Галактика-спутник, как показывают расчеты на ЭВМ, также может возбуждать спиральные волны плотности в основной галактике, благодаря возникающим здесь приливным силам.

Галактический диск вращается дифференциально – каждая звезда, а иногда группа гравитационно связанных звезд вращается сама по себе, а спиральные рукава, как утверждают космофизики, вращаются "твердотельно" как изоморфные структуры , поэтому в плоскости Галактики должна существовать окружность (точнее, кольцо), в котором угловые скорости звезд и спиралей (волны плотности) равны. Такая окружность называется коротационной. В каждой спиральной галактике может существовать только одна такая окружность. Галактическая орбита Солнечной системы близка к коротационной окружности и, следовательно, находится в особом положении – Солнечная система вращается с одинаковой скоростью с вращением галактических рукавов. Звезды, расположенные ближе к ядру галактики, вращаются быстрее, чем газо-пылевые рукава, а расположенные дальше коратационного пояса – медленнее.

Теория волн плотности в спиральных галактиках пока далека от окончательного решения. Неясны источники энергии волн и механизмы, препятствующие их затуханию, необъяснимы типы волн, ответственные за наблюдаемые спиральные узоры, не удается объяснить все многообразие наблюдаемых форм спиральной структуры галактик.

Дж. Джине писал: «Каждая неудачная попытка объяснить происхождение спиральных ветвей делает все более трудным сопротивление предположению, что спиральные рукава являются полем действия сил, полностью неизвестных нам, отражающих, возможно, новые метрические свойства пространства, о которых мы и не подозреваем». Он допускал, что в ядрах галактик «в нашу Вселенную вливается вещество из каких-то других, совершенно чуждых нам пространственных измерений». Истечение вещества к ядрам галактик в сочетании с вращением чёрных дыр в этих ядрах и их фрагментацией могло бы породить галактические рукава. Дж. Джине, как большинство астрофизиков, считал, что вещество в рукавах галактик истекает (выбрасывается) из их ядер, а не падает в них, потому эта проблема казалась ему неразрешимой в рамках известных законов физики.

Против гипотезы Джине говорит то, что у звезд в галактическом диске круговые орбиты, а рукава, как правило, начинаются не в непосредственной близости от ядра галактики, а в нескольких килопарсеках от него. Но Джине был прав в одном: «Пока спиральные ветви остаются необъясненными, невозможно чувствовать доверие к любым предположениям и гипотезам, касающимся других особенностей туманностей, которые кажутся более легко поддающимися объяснению».

Только в центральной области галактики звезды вращаются с одинаковой угловой скоростью, а дальше от центра угловая скорость вращения звезд убывает с расстоянием от центра. Поэтому любая достаточно большая и разреженная группировка гравитационно связанных звезд, в которой взаимное притяжение между звездами слабое, должна со временем распасться.

Массивные звезды образуются в газовых облаках гораздо быстрее: они в этих облаках довольно быстро (разумеется, по космическим масштабам времени) превращаются в сверхновые, и если рядом есть другие газовые облака, то эстафета звездообразования передается дальше этим облакам. О возможности такого "эпидемического характера" звездообразования говорил В. Бааде.

У. Герол и Ф. Сейден усовершенствовали модель образования спиральной структуры галактик, предложенную Мюллером и Арнетом, и еще больше приблизили ее к реальности. Тем не менее в настоящее время большую популярность имеет волновая теория спиральной структуры, которую возродили в 1964 году Ц. Лин и Ф. Шу, развившие идеи Б. Линдблада.

Различие скоростей вращения спирального узора и галактического вещества уменьшается по мере удаления от центра галактики, пока эти скорости не становятся равными на радиусе коротации. Еще дальше от центра галактики спиральные рукава вращаются быстрее, чем звезды. Поэтому вблизи радиуса коротации спиральные рукава галактик плохо заметны, и что делается за этими радиусами, сказать пока трудно.

В конце 1923 года молодой астроном обсерватории Маунт Вилсон Э. Хаббл, проводя поиск новых звезд, открыл в туманности Андромеды первую цефеиду (звезду с переменным блеском), а через год оценил расстояние до этой «туманности». Выяснилось: по размерам, составу и строению Андромеда – такая же галактика, как и наша. Опираясь на цефеиды в ближайших галактиках, Хаббл смог определить расстояния до далеких галактик и в 1929 году показал, что красное смещение в спектрах галактик пропорционально их расстоянию от нас. Он открыл, что Вселенная населена галактиками и расширяется. Доказательство этого в ХХ веке остается и по сей день крупнейшим достижением астрономии, незыблемым фундаментом естествознания.

Цефеиды – это переменные звезды (пульсирующие гиганты), названные по звезде дельта Цефея. Периоды изменения их блеска заключены в пределах от 1,5 до 50 суток. Эти объекты есть как в нашей Галактике, так и в других звездных системах – в Магеллаповых Облаках, в туманности Андромеды и др. Амплитуды колебаний блеска цефеид разнообразны. Синхронно с блеском у цефеид изменяются температура фотосферы, цвет, радиус фотосферы и атмосферы, в которой возникают спектральные линии.

Пульсация светимости связана с тем, что цефеиды являются двойными звездами, вращающимися вокруг общего центра тяжести. Плоскость орбит их вращения обращена к нам ребром. Поэтому периодически одна звезда закрывает другую, отчего светимость объекта (обоих звезд вместе, а они для нас неразделимы) уменьшается в два раза.

В настоящее время в нашей Галактике известно около 1000 цефеид. Их изучение и статистическое сопоставление их свойств показало, что совокупность цефеид неоднородна по своему составу. Пришлось разделить цефеиды на подклассы. Наиболее многочисленна группа дельта-цефеиды. Для них характерна зависимость между периодом и формой кривой блеска, открытая Э. Герцшпрунгом. У цефеид с периодами в пределах от 1,5 до 5 суток кривая изменения блеска гладкая. При более продолжительных значениях периода появляется "горбик" на нисходящей ветви кривой блеска, который постепенно перемещается к максимуму, при периоде около 10 суток горбик совмещается с максимумом, а затем проявляется на восходящей ветви кривой в виде задержки подъема блеска. Таким образом, по величине периода и форме кривой блеска дельта-цефеиду легко отличить от других объектов. На основе длительных наблюдений с применением метода графиков изучено изменение периодов многих цефеид. Обнаружено, что у разных подклассов цефеид эти изменения протекают по-разному.

Цефеиды сыграли в астрономии огромную роль: метод определения расстояний при помощи цефеид является основным методом определения расстояний в галактике и между галактиками. В 1783 году Пиготт обнаружил изменяемость блеска Этта Орла с периодом в 7 дней, а в следующем году Гудрайк открыл переменность дельта Цефея и нашел, что ее блеск возвращается к прежнему состоянию каждые 5 дней 8 часов 37 минут. К началу ХХ века было известно уже более 30 переменных звезд, блеск которых изменялся в среднем на звездную величину с периодом от 2–3 до 40 дней: звезды этого класса и назвали цефеидами.

Их изучение дало наилучший способ определения больших расстояний. В 1908 году Г. Ливитт опубликовала каталог переменных звезд, открытых ею в Малом Магеллановом Облаке. Для 16 из них она смогла определить периоды изменения блеска. «Стоит отметить,— писала мисс Ливитт,— что более яркие переменные имеют больший период». Спустя четыре года Ливитт получила уже периоды 25 звезд и сопоставила их на графике с блеском в максимуме и минимуме. Блеск оказался связан с периодом колебаний линейной зависимостью, и она заключила: «Так как эти переменные звезды, вероятно, находятся на одинаковом расстоянии от Земли, их периоды связаны с количеством излучаемого ими света», то есть со светимостью.

Но если известна светимость хотя бы одной звезды, то для любой другой звезды данного типа можно определить расстояние по периоду колебания ее светимости, сравнивая его с видимым блеском. Э. Герцшпрунг понял, что переменные звезды, найденные Ливитт, и есть цефеиды, хорошо известные в окрестностях Солнца, – форма кривых блеска, амплитуды и периоды убедительно свидетельствовали об этом. В 1913 году по 13 звездам с известным собственным движением он получил статистический параллакс цефеид и их среднюю светимость. Сравнивая видимые величины цефеид Малого Магелланова Облака с абсолютной величиной цефеид Галактики Млечный Путь, Герцшпрунг впервые определил расстояние до Магелланова Облака в 30 000 световых лет. Расстояние до Облака оказалось очень большим по сравнению с его размерами, и поэтому все цефеиды Магеллановых Облаков можно было считать находящимися примерно на одинаковом расстоянии от нас.

Напомню единицы измерения, используемые в астрономии: 1 а.е. = 149 600 000 км; 1 пс = 206 265 а.е. = 3,26 светового года; 1 световой год = 63 240 а.е. = 0,3067 пс.

В 1918 году Шепли предпринял новую калибровку зависимости периода колебания светимости цефеид от интенсивности светимости. Он привлек переменные звезды в шаровых скоплениях. Шепли создал схему строения Галактики и нашел, что центр ее расположен в 10 кпс от нас, а не вблизи Солнца, как считали до этого.

Э. Хаббл к концу 1924 года обнаружил и исследовал в туманности Треугольника (М33) 47 очень слабых переменных звезд и 36 таких же звезд в туманности Андромеды (М31). Многие из них всеми своими характеристиками напоминали цефеиды. Хаббл определил их периоды и нашел, что амплитуда изменения блеска у этих звезд такая же, как и у галактических цефеид. Кривые блеска тоже ничем не отличались от кривых для цефеид Галактики и Магеллановых Облаков. Сомнений в том, что эти звезды цефеиды, быть не могло. Примененная Хабблом зависимость период—светимость указывала, что расстояние М33, например, составляет 285 кпс. Даже при завышенных Шепли размерах Галактики туманность Треугольника оказывалась далеко за пределами Млечного Пути