Галактики наблюдали с незапамятных времен. Человек с острым зрением может различить на ночном небосводе светлые пятна, похожие на капли молока. В X веке персидский астроном Абд-аль-Раман аль-Суфи упомянул в своей «Книге о неподвижных звездах» два подобных пятна, известных теперь как Большое Магелланово облако и галактика М31, она же Андромеда. С появлением телескопов астрономы наблюдали все больше таких объектов, получивших название туманностей. Если английский астроном Эдмунд Галлей в 1716 году перечислил всего шесть туманностей, то каталог, опубликованный в 1784 году астрономом французского военно-морского флота Шарлем Мессье, содержал уже 110 - и среди них четыре десятка настоящих галактик (в том числе и М31). В 1802 году Уильям Гершель опубликовал перечень из 2500 туманностей, а его сын Джон в 1864 году издал каталог, где было более 5000 туманностей.
ГАЛАКТИКА NGC 3190 |
Природа этих объектов долгое время ускользала от понимания. В середине XVIII века некоторые проницательные умы увидели в них звездные системы, подобные Млечному Пути, однако телескопы в то время не предоставляли возможности проверить эту гипотезу. Столетием позже восторжествовало мнение, что каждая туманность - это газовое облако, подсвеченное изнутри молодой звездой. Позже астрономы убедились, что некоторые туманности, в том числе и Андромеда, содержат множество звезд, однако еще долго не было ясно, расположены они в нашей Галактике или за ее пределами. И лишь в 1923-1924 годах Эдвин Хаббл определил, что расстояние от Земли до Андромеды как минимум троекратно превосходит диаметр Млечного Пути (на самом деле примерно в 20 раз) и что МЗЗ, другая туманность из каталога Мессье, удалена от нас на никак не меньшую дистанцию. Эти результаты положили начало новой научной дисциплине - галактической астрономии.
Карлики и гиганты
Вселенная заполнена галактиками разного размера и разных масс. Их количество известно весьма приблизительно. Семь лет назад орбитальный телескоп «Хаббл» за три с половиной месяца обнаружил около 10 000 галактик, сканируя в южном созвездии Печи участок небосвода, в сто раз меньший, нежели площадь лунного диска. Если предположить, что галактики распределяются по небесной сфере с такой же плотностью, получится, что в наблюдаемом космосе их 200 млрд. Однако эта оценка сильно занижена, поскольку телескоп не смог заметить великое множество очень тусклых галактик.
 |
Наша ближайшая соседка, галактика Андромеда (М31) - один из излюбленных небесных объектов для любительских астрономических наблюдений и фотосъемки. И не только любительской - на иллюстрации представлен комбинированный мультиспектральный вид М31, сделанный космическим телескопом Spitzer и аппаратом NASA Galaxy Evolution Explorer (GALEX). УФ-глаза GALEX открывают огненную натуру Андромеды - горячие области, наполненные молодыми (показаны синим) и старыми (зеленые точки и яркая желтая область в центре галактики) звездами. Чувствительный ИК-телескоп Spitzer видит другую, холодную сторону - области формирования звезд (показано красным), скрытые от посторонних глаз облаками пыли и газа. Фиолетовым показаны области, где горячие массивные звезды сосуществуют с холодными, окруженными пылевыми облаками. |
ПОДГЛЯДЫВАЯ ЗА СОСЕДКОЙ |
Среди галактик есть и карлики, и гиганты. В авторитетном оксфордском справочнике Companion to Cosmology 2008 года издания написано, что самые мелкие галактики содержат миллионы звезд, а самые крупные - триллионы.
Эта информация уже успела устареть. Как рассказал профессор Техасского университета в Остине Джон Корменди, в последние годы было открыто семейство минигалактик всего лишь с сотнями звезд: «Это так называемые ультракомпактные карлики, линейные размеры которых лежат в пределах 20 парсек. Несмотря на малое количество звезд, масса таких галактик составляет миллионы и десятки миллионов солнечных масс. Скорее всего, в этом в основном повинна темная материя, хотя некоторые ученые полагают, что немалый вклад принадлежит черным дырам и нейтронным звездам. Как бы то ни было, старое определение галактики как крупного автономного звездного скопления больше не работает». На верхней границе галактического спектра находятся сверхгиганты диаметром порядка мегапарсека, у которых численность звездного населения достигает сотни триллионов.
Галактики различаются и морфологией (то есть формой). В целом их подразделяют на три основных класса - дисковидные, эллиптические и неправильные (иррегулярные). Это общая классификация, есть
гораздо более детальные.
Дисковидная галактика - это звездный блин, вращающийся вокруг оси, проходящей через его геометрический центр. Обычно по обе стороны центральной зоны блина имеется овальное вздутие -
балдж (от англ. bulge). Балдж тоже вращается, однако с меньшей угловой скоростью, нежели диск. В плоскости диска нередко наблюдаются спиральные ветви, изобилующие сравнительно молодыми
яркими светилами. Однако есть галактические диски и без спиральной структуры, где таких звезд много меньше.
Центральную зону дисковидной галактики может рассекать звездная перемычка - бар. Пространство внутри диска заполнено газопылевой средой - исходным материалом для новых звезд и планетных систем.
Галактика имеет два диска: звездный и газовый. Они окружены галактическим гало - сферическим облаком разреженного горячего газа и темной материи, которая и вносит основной вклад в полную массу
галактики. Гало вмещает также отдельные старые звезды и шаровые звездные скопления (глобулярные кластеры) возрастом до 13 млрд лет. В центре едва ли не любой дисковидной галактики, как с балджем,
так и без балджа, расположена сверхмассивная черная дыра. Самые крупные галактики этого типа содержат по 500 млрд звезд.
Эллиптическая галактика, как и следует из ее названия, имеет форму эллипсоида. Она не вращается как целое и потому не обладает осевой симметрией. Ее звезды, которые в основном имеют сравнительно
небольшую массу и солидный возраст, обращаются вокруг галактического центра в разных плоскостях и иногда не по отдельности, а сильно вытянутыми цепочками. Новые светила в эллиптических
галактиках загораются редко в связи с дефицитом исходного сырья - молекулярного водорода.
Как самые крупные, так и самые мелкие галактики относятся к эллиптическому типу. Общая доля его представителей в галактическом населении Вселенной всего около 20%. Эти галактики (возможно, за
исключением самых мелких и тусклых) также скрывают в своих центральных зонах сверхмассивные черные дыры. Эллиптические галактики имеют и гало, но не столь четкие, как у дисковидных.
ЗВЕЗДНОЕ РАССЕЛЕНИЕ |
Галактики распределены в космическом пространстве вовсе не хаотично. Массивные галактики нередко окружены небольшими галактиками-спутниками.
|
ЗВЕЗДНОЕ РАССЕЛЕНИЕ |
Все прочие галактики считаются иррегулярными. Они содержат много пыли и газа и активно порождают молодые звезды. На умеренных расстояниях от Млечного Пути таких галактик немного, всего-то 3%. Однако среди объектов с большим красным смещением, чей свет был испущен не позже, чем через 3 млрд лет после Большого взрыва, их доля резко возрастает. Судя по всему, все звездные системы первого поколения были невелики и обладали неправильными очертаниями, а крупные дисковидные и эллиптические галактики возникли гораздо позже.
Рождение галактик
Галактики появились на свет вскоре после звезд. Считается, что первые светила вспыхнули никак не позднее, чем спустя 150 млн лет после Большого взрыва.
В январе 2011 года команда астрономов, обрабатывавших информацию с космического телескопа «Хаббл», сообщила о вероятном наблюдении галактики, чей свет ушел в космос через 480 млн лет после Большого взрыва. В апреле еще одна исследовательская группа обнаружила галактику, которая, по всей вероятности, уже вполне сформировалась, когда юной Вселенной было около 200 млн лет.
Условия для рождения звезд и галактик возникли задолго до его начала. Когда Вселенная прошла возрастную отметку в 400 000 лет, плазма в космическом пространстве заменилась смесью из нейтрального гелия и водорода. Этот газ был еще чересчур горяч, чтобы стянуться в молекулярные облака, дающие начало звездам. Однако он соседствовал с частицами темной материи, изначально распределенными в пространстве не вполне равномерно - где чуть плотнее, где разреженнее. Они не взаимодействовали с барионным газом и потому под действием взаимного притяжения свободно стягивались в зоны повышенной плотности. Согласно модельным вычислениям, уже через сотню миллионов лет после Большого взрыва в космосе образовались облака темной материи величиной с нынешнюю Солнечную систему. Они объединялись в более крупные структуры, невзирая на расширение пространства. Так возникли скопления облаков темной материи, а потом и скопления этих скоплений. Они втягивали в себя космический газ, предоставляя ему возможность сгущаться и коллапсировать. Таким путем появились первые сверхмассивные звезды, которые быстро взрывались сверхновыми и оставляли после себя черные дыры. Эти взрывы обогащали космическое пространство элементами тяжелее гелия, которые способствовали охлаждению коллапсирующих газовых облаков и потому делали возможным появление менее массивных звезд второго поколения. Такие звезды уже могли существовать миллиарды лет и потому были в состоянии формировать (опять-таки с помощью темной материи) гравитационно связанные системы. Так возникли долгоживущие галактики, в том числе и наша.
«Многие детали галактогенеза еще скрыты в тумане, - говорит Джон Корменди. - В частности, это относится к роли черных дыр. Их массы варьируют от десятков тысяч масс Солнца до абсолютного на сегодняшний день рекорда в 6,6 млрд солнечных масс, принадлежащего черной дыре из ядра эллиптической галактики М87, расположенной в 53,5 млн световых лет от Солнца. Дыры в центрах эллиптических галактик, как правило, окружены балджами, составленными из старых звезд. Спиральные галактики могут вовсе не иметь балджей или же обладать их плоскими подобиями, псевдобалджами. Масса черной дыры обычно на три порядка меньше массы балджа - естественно, если оный наличествует. Эта закономерность подтверждается наблюдениями, охватывающими дыры массой от миллиона до миллиарда солнечных масс».
МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ |
Солнце обращается вокруг центра вполне рядовой спиральной галактики, в состав которой входят 200-400 млрд звезд.
|
МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ |
Как полагает профессор Корменди, галактические черные дыры набирают массу двумя путями. Дыра, окруженная полноценным балджем, растет за счет поглощения газа, который приходит к балджу из внешней зоны галактики. Во время слияния галактик интенсивность поступления этого газа резко возрастает, что инициирует вспышки квазаров. В результате балджи и дыры эволюционируют параллельно, что и объясняет корреляцию между их массами (правда, могут работать и другие, еще неизвестные механизмы).
Иное дело безбалджевые галактики и галактики с псевдобалджами. Массы их дыр обычно не превышают 10 4 -10 6 солнечных масс. По мнению профессора Корменди, они подкармливаются газом за счет случайных процессов, которые происходят недалеко от дыры, а не простираются на целую галактику. Такая дыра растет вне зависимости от эволюции галактики или ее псевдобалджа, чем и обусловлено отсутствие корреляции между их массами.
Растущие галактики
Галактики могут увеличивать и размер, и массу. «В далеком прошлом галактики делали это гораздо эффективней, нежели в недавние космологические эпохи, - объясняет профессор астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Санта-Круз Гарт Иллингворт. - Темпы рождения новых звезд оценивают в терминах годового производства единицы массы звездного вещества (в этом качестве выступает масса Солнца) на единицу объема космического пространства (обычно это кубический мегапарсек). Во времена формирования первых галактик этот показатель был весьма невелик, а затем пошел в быстрый рост, продолжавшийся до тех пор, пока Вселенной не исполнилось 2 млрд лет. Еще 3 млрд лет он был относительно постоянным, потом начал снижаться почти пропорционально времени, и снижение это продолжается по сей день. Так что 7-8 млрд лет назад средний темп звездообразования в 10-20 раз превышал современный. Большинство доступных наблюдению галактик уже полностью сформировались в ту далекую эпоху».
В общих чертах эта тенденция понятна. Галактики увеличиваются двумя основными способами. Во-первых, они получают свежий материал для звездообразования, втягивая из окружающего пространства газ и частицы пыли. В течение нескольких миллиардов лет после Большого взрыва этот механизм исправно работал просто потому, что звездного сырья в космосе хватало всем. Потом, когда запасы истощились, темп звездного рождения упал. Однако галактики нашли возможность увеличивать его за счет столкновения и слияния. Правда, для реализации этого варианта необходимо, чтобы сталкивающиеся галактики располагали приличным запасом межзвездного водорода. Крупным эллиптическим галактикам, где его практически не осталось, слияние не помогает, зато в дисковидных и неправильных оно работает.
Посмотрим, что происходит при слиянии двух примерно одинаковых галактик дискового типа. Их звезды практически никогда не сталкиваются - слишком велики расстояния между ними. Однако газовый диск
каждой галактики ощущает приливные силы, обусловленные притяжением соседки. Барионное вещество диска теряет часть углового момента и смещается к центру галактики, где возникают условия для
взрывного роста скорости звездообразования. Часть этого вещества поглощается черными дырами, которые тоже набирают массу. В заключительной фазе объединения галактик черные дыры сливаются,
а звездные диски обеих галактик теряют былую структуру и рассредоточиваются в пространстве. В итоге из пары спиральных галактик образуется одна эллиптическая. Но это отнюдь не полная картина.
Излучение молодых ярких звезд способно выдуть часть водорода за пределы новорожденной галактики. В то же время активная аккреция газа на черную дыру вынуждает последнюю время от времени
выстреливать в пространство струи частиц огромной энергии, подогревающие газ по всей галактике и тем препятствующие формированию новых звезд. Галактика постепенно затихает - скорее всего,
навсегда.
 |
ИССЛЕДОВАТЕЛИ ИЗ ПИТТСБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА, Калифорнийского университета в Ирвине и Атлантического университета Флориды смоделировали ситуацию столкновения Млечного Пути и предшественницы карликовой эллиптической галактики в Стрельце (Sagittarius Dwarf Elliptical Galaxy, SagDEG). Они проанализировали два варианта столкновений - с легкой (3 х 10 10 масс Солнца) и тяжелой (10 11 масс Солнца) SagDEG. На рисунке слева направо показаны результаты 2,7 млрд лет эволюции Млечного Пути без взаимодействия с карликовой галактикой и с взаимодействием с легким и тяжелым вариантами SagDEG. |
ИССЛЕДОВАТЕЛИ ИЗ ПИТТСБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА |
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ |
На рисунке результаты эволюции в различные моменты времени - начальная конфигурация (а), через 0,9 (b), 1,8 (c) и 2,65 млрд лет (d). Согласно модельным расчетам, бар и спиральные рукава Млечного Пути могли сформироваться в результате столкновений с SagDEG, которая изначально тянула на 50-100 млрд солнечных масс. Дважды она проходила сквозь диск нашей Галактики и теряла часть своей материи (и обычной, и темной), вызывая пертурбации его структуры. Нынешняя масса SagDEG не превышает десятков миллионов солнечных масс, и очередное столкновение, которое ожидают не позже чем через 100 млн лет, скорее всего, станет для нее последним. |
 |
Галактики неодинакового калибра сталкиваются по-иному. Крупная галактика способна поглотить карликовую (сразу или в несколько приемов) и при этом сохранить собственную структуру. Этот галактический каннибализм тоже может стимулировать процессы звездообразования. Карликовая галактика полностью разрушается, оставляя после себя цепочки звезд и струи космического газа, которые наблюдаются как в нашей Галактике, так и в соседней Андромеде. Если же одна из сталкивающихся галактик не слишком превосходит другую, возможны даже более интересные эффекты.
В ожидании супертелескопа
Г
алактическая астрономия дожила почти до девяностолетия. Она начала практически с нуля и достигла очень многого. Однако количество нерешенных проблем очень велико. Так, никто не знает, когда
и как сформировались первые галактики и какими путями образуются галактики с дисковой структурой. «Ученые ожидают очень много от инфракрасного орбитального телескопа «Джеймс Уэбб», запуск
которого намечен на 2018 год, - говорит Гарт Иллингворт. - К сожалению, пока не ясно, будет ли этот проект завершен - по причине финансовых трудностей. Хочется надеяться, что он состоится».
Если планета Земля – наш «дом», а Солнечная система – «страна», то галактику Млечный путь можно сравнить с «материком». Размеры нашего «материка» поражают воображение: лучу света, чтобы долететь от одного края этого грандиозного диска до другого, требуется 100 000! В километрах это будет один квинтиллион. Счёт звёзд идёт на сотни миллиардов (точно не известно, но предположительно – от 200 до 400 миллиардов). Все эти звёзды – вместе с межзвёздным газом – вращаются вокруг галактического центра, где, по мнению учёных, располагается сверхмассивная чёрная дыра.
Кажется, что это великолепие существует вечно… но ведь по современным научным представлениям, даже сама Вселенная имела начало во времени, следовательно, у нашей Галактики тоже есть вполне определённый возраст. Судя по количеству межзвёздного газа (которого осталось сравнительно немного), она не намного моложе Вселенной: приблизительно 12 миллиардов лет. Как же она родилась?
В начале была протогалактика – огромное газовое облако, гораздо больше по размерам чем та, галактика, которую мы имеем сейчас. Состояло оно из самых лёгких элементов, чьи атомы возникли первыми в горниле Большого взрыва – водорода и гелия (водород – 75%, гелий – 25%). Облако это медленно вращалось, а сила гравитации тем временем сжимала его – и так продолжалось три миллиарда лет, пока под воздействием этих сил облако не потеряло свою однородность, оно стало распадаться на части, образуя более плотные скопления вещества.
Эти скопления подчинялись тем же законам – они вращались и сжимались, а сжимаясь – разогревались. В конце концов, их плотность и температура достигла такой степени, что под воздействием того и другого атомы водорода и гелия начали сливаться друг с другом, образуя другие атомы и выделяя энергию – т.е. начался термоядерный синтез. Так родились звёзды первого поколения, состоящие исключительно из водорода и гелия, поскольку не было больше ничего – т.е. обладали минимальной металличностью (в астрономии металлами называются все химические элементы тяжелее гелия).
Эти звёзды-первопроходцы были более массивными и более горячими, чем современные, а чем массивнее звезда – тем меньше она живёт и тем ярче «умирает», взрываясь мощной вспышкой сверхновой. При этом в окружающее космической пространство выбрасываются все те химические элементы, которые возникли в ходе термоядерного синтеза. Таким образом звёзды первого поколения своей жизнью и смертью обогатили хтмический состав протогалактики, и звёзды второго поколения обладали уже более высокой металличностью – т.е. содержали примеси других химических элементов.
Тем временем тот газ, который ещё не был «израсходован» на звездообразование, продолжал вращаться, стягиваясь к центру, образуя диск – вот в этом диске и родились звёзды второго поколения. Их становилось всё больше, и в конце концов они своей кинетической энергией уравняли энергию гравитационного взаимодействия, сжатие прекратилось. Тогда возникли области более плотного газа – те самые рукава, из-за которых нашу Галактику и подобные ей называют спиральными. Там продолжалось звездообразование, порождающее звёзды третьего поколения – с ещё более высокой металличностью (одна из них – наше Солнце).
Вот так галактика Млечный путь приобрела современный вид. Что ждёт её в будущем? По мере звездообразования «запасы» межзвёздного газа будут и дальше истощаться, и через несколько миллиардов лет он будет израсходован весь. Новые звёзды рождаться уже не будут, имеющиеся состарятся, дойдя до состояния красных звёзд и белых карликов, а Галактика из спиральной превратится в линзовидную.
Впрочем, нас ожидает и ещё одно примечательное событие – столкновение с галактикой Туманность Андромеды. Только не надо представлять это как «конец света» – две галактики сольются в одну (для неё даже название придумали – Милкомеда), причём процесс этот будет происходить так медленно, что люди на Земле ничего и не заметят. Единственное, что может случиться – так это то, что Солнце вместе с планетами выбросит за пределы новой галактики, и станет оно межгалактическим блуждающим объектом. Но структура Солнечной системы при этом сохранится, так что на Землю опять же заметного влияния не окажет – вот только наше прекрасное звёздное небо пропадёт… Впрочем, возможно, это уже не будет иметь значения: Солнце, превратившееся в красный гигант, к тому времени уничтожит всё живое на Земле.
Введение
Процесс эволюции Вселенной происходит очень медленно. Ведь Вселенная во много раз старше астрономии и вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция жизни на земле является лишь ничтожным звеном в эволюции Вселенной. И все же исследования проведенные в нашем веке, приоткрыли занавес, закрывающий от нас далекое прошлое.
Современные астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что началом Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был гигантский огненный шар, раскаленный и плотный. Его состав весьма прост. Этот огненный шар был на столько раскален, что состоял лишь из свободных элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом.
На протяжении десяти миллиардов лет после “большого взрыва” простейшее бесформенное вещество постепенно превращалось в атомы, молекулы, кристаллы, породы, планеты. Рождались звезды, системы, состоящие из огромного количества элементарных частиц с весьма простой организацией. На некоторых планетах могли возникнуть формы жизни.
Начало Вселенной
Вселенная постоянно расширяется. Тот момент с которого Вселенная начала расширятся, принято считать ее началом. Тогда началась первая и полная драматизма эра в истории вселенной, ее называют “большим взрывом” или английским термином Big Bang.
Под расширением Вселенной подразумевается такой процесс, когда то же самое количество элементарных частиц и фотонов занимают постоянно возрастающий объем. Средняя плотность Вселенной в результате расширения постепенно понижается. Из этого следует, что в прошлом Плотность Вселенной была больше, чем в настоящее время. Можно предположить, что в глубокой древности (примерно десять миллиардов лет назад) плотность Вселенной была очень большой. Кроме того высокой должна была быть и температура, настолько высокой, что плотность излучения превышала плотность вещества. Иначе говоря энергия всех фотонов содержащихся в 1 куб. см была больше суммы общей энергии частиц, содержащихся в 1 куб. см. На самом раннем этапе, в первые мгновения “большого взрыва” вся материя была сильно раскаленной и густой смесью частиц, античастиц и высокоэнергичных гамма-фотонов. Частицы при столкновении с соответствующими античастицами аннигилировали, но возникающие гамма-фотоны моментально материализовались в частицы и античастицы.
Рождение сверхгалактик и скоплений галактик
С возникновением атомов водорода начинается звездная эра - эра частиц, точнее говоря, эра протонов и электронов.
Вселенная вступает в звездную эру в форме водородного газа с огромным количеством световых и ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ расширялся в различных частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была также и его плотность. Он образовывал огромные сгустки, во много миллионов световых лет. Масса таких космических водородных сгустков была в сотни тысяч, а то и в миллионы раз больше, чем масса нашей теперешней Галактики. Расширение газа внутри сгустков шло медленнее, чем расширение разреженного водорода между самими сгущениями. Позднее из отдельных участков с помощью собственного притяжения образовались сверхгалактики и скопления галактик. Итак, крупнейшие структурные единицы Вселенной - сверхгалактики - являются результатом неравномерного распределения водорода, которое происходило на ранних этапах истории Вселенной.
Рождение галактик
Колоссальные водородные сгущения - зародыши сверх галактик и скоплений галактик - медленно вращались. Внутри их образовывались вихри, похожие на водовороты. Их диаметр достигал примерно ста тысяч световых лет. Мы называем эти системы протогалактиками, т.е. зародышами галактик. Несмотря на свои невероятные размеры, вихри протогалактик были всего лишь ничтожной частью сверхгалактик и по размеру не превышали одну тысячную сверхгалактики. Сила гравитации образовывала из этих вихрей системы звезд, которые мы называем галактиками. Некоторые из галактик до сих пор напоминают нам гигантское завихрение.
Астрономические исследования показывают, что скорость вращения завихрения предопределила форму галактики, родившейся из этого вихря. Выражаясь научным языком, скорость осевого вращения определяет тип будущей галактики. Из медленно вращающихся вихрей возникли эллиптические галактики, в то время как из быстро вращающихся родились сплющенные спиральные галактики.
В результате силы тяготения очень медленно вращающийся вихрь сжимался в шар или несколько сплюнутый эллипсоид. Размеры такого правильного гигантского водородного облака были от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч световых лет. Нетрудно определить, какие из водородных атомов вошли в состав рождающейся эллиптической, точнее говоря эллипсоидальной галактики, а какие остались в космическом пространстве вне нее. Если энергия связи сил гравитации атома на периферии превышала его кинетическую энергию, атом становился составной частью галактики. Это условие называется критерием Джинса. С его помощью можно определить, в какой степени зависела масса и величина протогалактики от плотности и температуры водородного газа.
Протогалактика, которая вообще не вращалась, становилась родоначальницей шаровой галактики. Сплющенные эллиптические галактики рождались из медленно вращающихся протогалактик. Из-за недостаточной центробежной силы преобладала сила гравитационная. Протогалактика сжималась и плотность водорода в ней возрастала. Как только плотность достигала определенного уровня, начали выделятся и сжимается сгустки водорода. Рождались протозвезды, которые позже эволюционировали в звезды. Рождение всех звезд в шаровой или слегка приплюснутой галактике происходило почти одновременно. Этот процесс продолжался относительно недолго, примерно сто миллионов лет. Это значит, что в эллиптических галактиках все звезды приблизительно одинакового возраста, т.е. очень старые. В эллиптических галактиках весь водород был исчерпан сразу же в самом начале, примерно в первую сотую существования галактики. На протяжении последующих 99 сотых этого периода звезды уже не могли возникать. Таким образом, в эллиптических галактиках количество межзвездного вещества ничтожно.
Спиральные галактики, в том числе и наша, состоят из очень старой сферической составляющей (в этом они похожи на эллиптические галактики) и из более молодой плоской составляющей, находящейся в спиральных рукавах. Между этими составляющими существует несколько переходных компонентов разного уровня сплюснутости, разного возраста и скорости вращения. Строение спиральных галактик, таким образом, сложнее и разнообразнее, чем строение эллиптических. Спиральные галактики кроме этого вращаются значительно быстрее, чем галактики эллиптические. Не следует забывать, что они образовались из быстро вращающихся вихрей сверхгалактики. Поэтому в создании спиральных галактик участвовали и гравитационная и центробежная силы.
Если бы из нашей галактики через сто миллионов лет после ее возникновения (это время формирования сферической составляющей) улетучился весь межзвездный водород, новые звезды не смогли бы рождаться, и наша галактика стала бы эллиптической.
Но межзвездный газ в те далекие времена не улетучился, и, таким образом гравитация и вращение могли продолжать строительство нашей и других спиральных галактик. На каждый атом межзвездного газа действовали две силы - гравитация, притягивающая его к центру галактики и центробежная сила, выталкивающая его по направлению от оси вращения. В конечном итоге газ сжимался по направлению к галактической плоскости. В настоящее время межзвездный газ сконцентрирован к галактической плоскости в весьма тонкий слой. Он сосредоточен прежде всего в спиральных рукавах и представляет собой плоскую или промежуточную составляющую, названную звездным населением второго типа.
На каждом этапе сплющивания межзвездного газа во все более утончающийся диск рождались звезды. Поэтому в нашей галактике можно найти, как старые, возникшие примерно десять миллиардов лет назад, так и звезды родившиеся недавно в спиральных рукавах, в так называемых ассоциациях и рассеянных скоплениях. Можно сказать, что чем более сплющена система, в которой родились звезды, тем они моложе.
Вселенная развивается и в наше время. В спиральных галактиках рождаются и умирают звезды. Вселенная продолжает расширятся.
Газово-пылевые комплексы - колыбель звезд
Откуда же берутся в нашей Галактике молодые и "сверхмолодые" звезды? С давних пор, по установившейся традиции, восходящей к гипотезе Канта и Лапласа о происхождении Солнечной системы, астрономы предполагали, что звезды образуются из рассеянной диффузной газово-пылевой среды. Было только одно строгое теоретическое основание такого убеждения - гравитационная неустойчивость первоначально однородной диффузной среды. Дело в том, что в такой среде неизбежны малые возмущения плотности, то есть отклонения от строгой однородности. в дальнейшем, однако, если массы этих конденсаций превосходят некоторый предел, под влиянием силы всемирного тяготения малые возмущения будут нарастать и первоначально однородная среда разобьется на несколько конденсаций. Под действием силы гравитации эти конденсации будут продолжать сжиматься и, как можно полагать, в конце концов превратятся в звезды.
Характерное время сжатия облака до размеров протозвезды можно оценить по простой формуле механики, описывающей свободное падение тела под влиянием некоторого ускорения. Так, к примеру, облако с массой, равной солнечной, сожмется за миллион лет.
В процессе только что описанной первой стадии конденсации газово-пылевого облака в звезду, которая называется "стадией свободного падения", освобождается определенное количество гравитационной энергии. Половина освободившейся при сжатии облака энергии должна покинуть облако в виде инфракрасного излучения, а половина пойти на нагрев вещества.
> Как появляются крупные галактики?
Как рождаются большие галактики : исследование красного смещения, использование Хаббла и Очень Большого Телескопа, спиральные и эллиптические галактики, слияние.
Большая часть современных больших галактик – спиральные, представленные в виде центральной выпуклости и вращающегося вокруг диска. В качестве примеров можно назвать Андромеду или даже нашу галактику. Но как сформировались спиральные галактики? Почему внутри заметна массивная выпуклость?
Согласно данным, примерно половина сегодняшних звезд родились 8000-4000 миллионов лет назад из-за активной волны формирования , произошедшей в Световых Инфракрасных Галактиках.
Благодаря этому и прочим сведениям удалось создать новую версию – «восстановление спирали». Она гласит, что современные спирали появились в ходе одного или двух слияний. Если так и есть, то это будет революция в понимании галактического процесса формирования.
Инструменты образования крупных галактик
Как появились галактики? А звезды? Подобные вопросы все еще могут ставить в неловкое положение астрономов. Это фундаментальные проблемы, которые можно решить при помощи наземных и космических телескопов.
Исследование выглядело амбициозным и обещало отнять много времени. Цель – изучить на разных длинах волн почти 200 галактик с превышением красного смещения на 0.4 (дистанция в 4000 миллионов световых лет). Для этого использовали Хаббл, Очень Большой Телескоп (VLT), Инфракрасную космическую обсерваторию (ISO) и Сверхбольшую антенную решетку.
Результаты исследования крупных галактик
Конечно, все эти проборы дали огромный поток информации. Основываясь на ближних инфракрасных галактических светимостях стало ясно, что большая часть достигает по массе в 30000-300000 миллионов раз больше Солнечной. Кроме того, несмотря на то, что они называются Световыми Инфракрасными Галактиками, только 1/6 объектов относились к группе.
Так как этот тип проходит сквозь активный период звездообразования, в которой звездная масса удваивается за 1000 миллионов лет, то наличие большой части таких галактик в прошлой Вселенной влияло на общую скорость рождения звезд. Также звездное формирование должно было происходить в интенсивных вспышках, а галактики выделяли значительное количество инфракрасного излучения и сформировались в виде Световых Инфракрасных.
Еще один вывод был сделан после использования спектров VLT. Ученые зафиксировали химическую наполненность и поняли: объекты с большим красным смещением демонстрируют, что уровень кислорода вдвое ниже, чем у современных спиралей.
Полагают, что галактические столкновения играют важную роль в увеличении участков формирования звезд. Это указывает на то, что эти события все еще часто происходили менее 8 миллиардов лет назад.
Восстановление спирали у крупных галактик
Эти результаты находят отклик у сценария «иерархического галактического слияния», появляющегося в литературе последние 20 лет. В этой модели маленькие галактики объединяются в крупные. Текущая версия предполагает, что слияние закончилось 8000 миллионов лет назад. Но полноценное исследование отрицает эту мысль и говорит, что в следующие 4000 миллиона лет они продолжали объединяться.
Чтобы учитывать весь набор данных, ученые выдвинули новую модель формирования, которая включает три главные фазы: момент слияния, компактная фаза и рост диска. Схему назвали «восстановление спиральной галактики».
Эта концепция столкнулась с противоречиями, так как принято полагать, что сливается только эллиптический тип. Но астрономы утверждают, что их модель соответствует наблюдениям различных видов и способна объяснить все. И действительно, им удается разложить по полочкам формирование ¾ сегодняшних спиральных галактик и массивных центральных выпуклостей. Она применима к Андромеде, но не работает на Млечном Пути. Кажется, что нашей галактике удалось обойти без столкновений за последние тысячи миллионов лет.
Последующие исследования покажут, могут ли спиральные галактики быть недавно сформировавшимися системами, созданными в процессе масштабного слияния.
Результаты космологических исследований туманностей в 20 годах прошлого века перевернули представление астрономов о Вселенной и объектах ее населяющих.
Главным открытием стало подтверждение гипотезы о том, что казавшиеся тогда туманности не простое скопление газов или космической пыли, а представляет собой огромные скопления звезд – галактики.
Теория происхождения галактик
Теория происхождения галактик основывается на принципе гравитационной неустойчивости. Принцип гласит: частицы вещества не могут постоянно находиться в равномерно распределенном состоянии в пространстве. Элементы вещества будут стремиться друг к другу, создавая конгломераты.
В юной вследствие гравитационной неустойчивости образовались дискообразные скопления вещества. На границах этих дисков образовывались завихрения и отслаивание вещества. Формировались протогалактические структуры, внутри которых в свою очередь начинался процесс фрагментации – рождались первые звезды. С появлением звезд протогалактическое облако становилось звездной системой — галактикой. Галактики различны по объему и форме. Те, что на момент появления имели большую скорость вращения, приобрели форму шара или диска с отходящими от него рукавами-спиралями. Медленно вращавшиеся или неподвижные протогалактические облака превратились в галактики элипсоидной или неправильной формы.
Галактики могут быть единичными, располагаться попарно или множественными галактическими скоплениями. Галактические группы объединяют звездные системы различных форм и размеров. Самыми близкими нашими соседями являются галактическое скопление Большой Медведицы и небольшое плотное скопление галактик созвездия Волосы Вероники. Наша галактика Млечный Путь совместно со звездными системами Магеллановых облаков, галактикой Андромеда и множеством других, образуют , объединенную общим водородным облаком.
Состав галактики очень неоднороден. Достоверно известно, что элементами галактик являются: звезды, звездные скопления, пылевые облака, газовые туманности, частицы вещества рассеянные в пространстве, а также всякие экзотические объекты вроде черных дыр и нейтронных звезд. Все галактические элементы взаимосвязаны и подчинены вращению вокруг центра галактики содержащего
