Зоряні острова: галактики

Зоряні острова: галактики

Олексій Левін
"Популярна механіка" №11, 2011

Історія вивчення планет і зірок вимірюється тисячоліттями, Сонця, комет, астероїдів і метеоритів – століттями. А ось галактики, розкидані по Всесвіту скупчення зірок, космічного газу і пилових частинок, стали об'єктом наукового дослідження лише в 1920-і роки.

Галактики спостерігали з незапам'ятних часів. Людина з гострим зором може розрізнити на нічному небосхилі світлі плями, схожі на краплі молока. У Х столітті перський астроном Абд-аль-Раман аль-Суфі згадав у своїй "Книзі про нерухомі зірки" два подібних плями, відомих тепер як Велика Магелланова хмара і галактика М31, вона ж Андромеда. З появою телескопів астрономи спостерігали все більше таких об'єктів, які отримали назву туманностей. Якщо англійський астроном Едмунд Галлей в 1716 році перерахував всього шість туманностей, то каталог, опублікований в 1784 році астрономом французького військово-морського флоту Шарлем Мессьє, містив вже 110 – і серед них чотири десятки справжніх галактик (в тому числі і М31). У 1802 році Вільям Гершель опублікував перелік з 2500 туманностей, а його син Джон в 1864 році видав каталог, де було більше 5000 туманностей.

Природа цих об'єктів довгий час вислизала від розуміння.В середині XVIII століття деякі проникливі уми побачили в них зоряні системи, подібні до Чумацького Шляху, проте телескопи в той час не надавали можливості перевірити цю гіпотезу. Сторіччям пізніше перемогло думка, що кожна туманність – це газова хмара, що підсвічується зсередини молодою зіркою. Пізніше астрономи переконалися, що деякі туманності, в тому числі і Андромеда, містять безліч зірок, проте ще довго не було ясно, розташовані вони в нашій Галактиці або за її межами. І лише в 1923-1924 роках Едвін Хаббл визначив, що відстань від Землі до Андромеди як мінімум тричі перевершує діаметр Чумацького Шляху (насправді приблизно в 20 разів) і що М33, інша туманність з каталогу Мессьє, віддалена від нас на ніяк не меншу дистанцію. Ці результати поклали початок нової наукової дисципліни – галактичної астрономії.

Підглядаючи за сусідкою
Наша найближча сусідка, галактика Андромеда (M31) – один з улюблених небесних об'єктів для аматорських астрономічних спостережень і фотозйомки. І не тільки аматорської – на ілюстрації представлений комбінований мультиспектральний вид M31, зроблений космічним телескопом Spitzer і апаратом NASA Galaxy Evolution Explorer (GALEX). УФ-очі GALEX відкривають вогненну натуру Андромеди – гарячі області, наповнені молодими (показані синім) І старими (зелені точки і яскрава жовта область в центрі галактики) зірками. Чутливий ІК-телескоп Spitzer бачить іншу, холодну сторону – області формування зірок (показано червоним), Приховані від сторонніх очей хмарами пилу і газу. фіолетовим показані області, де гарячі масивні зірки співіснують з холодними, оточеними пиловими хмарами. Зображення: "Популярна механіка"

Карлики і гіганти

Всесвіт заповнена галактиками різного розміру і різних мас. Їх кількість відомо дуже приблизно. Сім років тому орбітальний телескоп "Хаббл" за три з половиною місяці виявив близько 10 000 галактик, скануючи в південному сузір'ї Печі ділянку небозводу, в сто разів менший, ніж площа місячного диска. Якщо припустити, що галактики розподіляються по небесній сфері з такою ж щільністю, вийде, що в спостережуваному космосі їх 200 млрд. Однак ця оцінка сильно занижена, оскільки телескоп не зміг помітити безліч дуже тьмяних галактик.

Серед галактик є і карлики, і гіганти. В авторитетному оксфордском довіднику Companion to Cosmology 2008 року видання написано, що найдрібніші галактики містять мільйони зірок, а найбільші – трильйони. Ця інформація вже встигла застаріти. Як розповів "ПМ" професор Техаського університету в Остіні Джон Корменді, в останні роки було відкрито сімейство міні-галактик всього лише з сотнями зірок: "Це так звані ультракомпактні карлики, лінійні розміри яких лежать в межах 20 парсек. Незважаючи на малу кількість зірок, маса таких галактик становить мільйони і десятки мільйонів сонячних мас. Швидше за все, в цьому в основному винна темна матерія, хоча деякі вчені вважають, що чималий внесок належить чорних дірок і нейтронних зірок. Як би там не було, старий е визначення галактики як великого автономного зоряного скупчення більше не працює ". На верхній межі галактичного спектра знаходяться надгіганти діаметром близько мегапарсек, у яких чисельність зоряного населення досягає сотні трильйонів.

Форма і зміст

Галактики розрізняються і морфологією (тобто формою).В цілому їх підрозділяють на три основні класи – дископодібні, еліптичні й неправильні (іррегулярні). Це загальна класифікація, є набагато більш детальні.

Дисковидна галактика – це зоряний млинець, що обертається навколо осі, що проходить через його геометричний центр. Зазвичай по обидва боки центральної зони млинця є овальне здуття – балдж (від англ. bulge). Балдж теж обертається, проте з меншою кутовий швидкістю, ніж диск. У площині диска нерідко спостерігаються спіральні гілки, що рясніють порівняно молодими яскравими світилами. Однак є галактичні диски і без спіральної структури, де таких зірок багато менше.

Центральну зону дисковидной галактики може розсікати зоряна перемичка – бар. Простір усередині диска заповнене газопилової середовищем – вихідним матеріалом для нових зірок і планетних систем. Галактика має два диска: зоряний і газовий. Вони оточені галактичним гало – сферичним хмарою розрідженого гарячого газу і темної матерії, яка і вносить основний вклад в повну масу галактики. Гало вміщує також окремі старі зірки і кульові зоряні скупчення (глобулярні кластери) віком до 13 млрд. Років.У центрі чи не будь-який дисковидной галактики, як з балджем, так і без балджа, розташована надмасивна чорна діра. Найбільші галактики цього типу містять по 500 млрд. Зірок.

Камертон Едвіна Хаббла
У 1926 році знаменитий американський астроном Едвін Пауелл Хаббл запропонував (а в 1936 році модернізував) свою класифікацію галактик за їх морфології. Через характерну форму цю класифікацію називають ще "Камертоном Хаббла". На "ніжці" камертона знаходяться еліптичні галактики, на зубцях вилки – лінзоподібні галактики без рукавів і спіральні галактики без бару-перемички і з баром. Галактики, які не можуть бути класифіковані як один з перерахованих класів, називаються неправильними, або іррегулярні. Зображення: "Хімія і життя"

Еліптична галактика, як і випливає з її назви, має форму еліпсоїда. Вона не обертається як єдине ціле і тому не має осьову симетрію. Її зірки, які в основному мають порівняно невелику масу і солідний вік, обертаються навколо галактичного центру в різних площинах і іноді не окремо, а сильно витягнутими ланцюжками. Нові світила в еліптичних галактиках спалахують рідко в зв'язку з дефіцитом вихідної сировини – молекулярного водню.

Як найбільші, так і найдрібніші галактики відносяться до еліптичному типу. Загальна частка його представників в галактичному населенні Всесвіту всього близько 20%. Ці галактики (можливо, за винятком самих дрібних і тьмяних) також приховують в своїх центральних зонах надмасивні чорні діри. Еліптичні галактики мають і гало, але не настільки чіткі, як у дисковидних.

зоряне розселення

Галактики розподілені в космічному просторі зовсім не хаотично. Масивні галактики нерідко оточені невеликими галактиками-супутниками.

Місцева група галактик
Подібно людям, галактики об'єднуються в групи. Наша Місцева група включає дві найбільші галактики в околицях розміром близько 3 мегапарсек – Чумацький Шлях і Андромеду (M31), галактику Трикутника, а також їх супутники – Велике і Мале Магелланові хмари, карликові галактики в Великому Пса, Пегасі, Кілі, секстант, Феніксі і ще безліч інших – всього числом близько півсотні. Місцева група, в свою чергу, є членом місцевого надскупчення Діви. Зображення: "Популярна механіка"

І наш Чумацький Шлях, і сусідня Андромеда мають не менше 14 супутників, і, швидше за все,їх набагато більше. Галактики люблять об'єднуватися в пари, трійки і більші групи з десятків гравітаційно пов'язаних партнерів. Асоціації побільше, галактичні скупчення, містять сотні і тисячі галактик (перше з таких скупчень відкрив ще Мессьє). Часом в центрі скупчення спостерігається особливо яскрава гігантська галактика, що виникла, як вважають, в процесі злиття галактик меншого калібру. І нарешті, є ще і надскупчення, в які входять як галактичні скупчення і групи, так і окремі галактики. Зазвичай це витягнуті структури протяжністю до сотні мегапарсек. Їх поділяють майже повністю вільні від галактик космічні порожнечі такого ж розміру. Сверхскопления вже не організовані в будь-які структури більш високого порядку і розкидані по космосу випадковим чином. З цієї причини в масштабах декількох сотень мегапарсек наш Всесвіт однорідний і ізотропний.

Всі інші галактики вважаються іррегулярні. Вони містять багато пилу і газу і активно породжують молоді зірки. На помірних відстанях від Чумацького Шляху таких галактик небагато, всього-то 3%. Однак серед об'єктів з великим червоним зміщенням, чий світло був виданий не пізніше ніж через 3 млрд. Років після Великого вибуху, їх частка різко зростає.Судячи з усього, все зоряні системи першого покоління були невеликі і мали неправильними обрисами, а великі дисковидні і еліптичні галактики виникли набагато пізніше.

народження галактик

Галактики з'явилися на світ незабаром після зірок. Вважається, що перші світила спалахнули ніяк не пізніше, ніж через 150 млн років після Великого вибуху. У січні 2011 року команда астрономів, що обробляли інформацію з космічного телескопа "Хаббл", повідомила про ймовірне спостереженні галактики, чий світло пішов в космос через 480 млн років після Великого вибуху. У квітні ще одна дослідницька група виявила галактику, яка, ймовірно, вже цілком сформувалася, коли юній Всесвіту було близько 200 млн років.

Чумацький шлях

Сонце обертається навколо центру цілком рядовий спіральної галактики, до складу якої входять 200-400 млрд зірок.

Її діаметр приблизно дорівнює 28 кілопарсек (трохи більше 90 тисяч світлових років). Радіус сонячної внутрігалактіческой орбіти – 8,5 кілопарсек (так що наше світило зміщене до зовнішнього краю галактичного диска), час повного обороту навколо центру Галактики – приблизно 250 млн років.Балдж Чумацького Шляху має елліпсовіднимі форму і наділений баром, який виявили зовсім недавно. У центрі балджа знаходиться компактне ядро, заповнене зірками різного віку – від декількох мільйонів років до мільярда і старше. Всередині ядра за щільними пиловими хмарами ховається досить скромна по галактичним стандартам чорна діра – всього 3,7 млн ​​сонячних мас.

Карта нашого острова
Використовуючи інфрачервоні знімки космічного телескопа Spitzer, Астрономи складають карту Чумацького Шляху. Він складається з двох найбільших спіральних рукавів – Щита-Центавра і Персея, з'єднаних баром, і двох дрібніших – Стрільця і ​​косинці, наповнених газовими хмарами і областями формування зірок. Ще більш дрібні рукави включають Зовнішній, Далекий і Близький 3-кілопарсековие рукава. Наша Сонячна система знаходиться в невеликому рукаві (відрогу) Оріона. Зображення: "Популярна механіка"

Наша Галактика може похвалитися подвійним зоряним диском. На частку внутрішнього диска, який має по вертикалі не більше 500 парсек, припадає 95% зірок дискової зони, в тому числі всі молоді яскраві зірки.Його охоплює зовнішній диск товщиною в 1500 парсек, де мешкають зірки постарше. Товщина газопилового диска Чумацького Шляху не менше 3,5 кілопарсек. Чотири спіральні рукави диска – області підвищеної щільності газопилової середовища – містять більшість самих масивних зірок.
Діаметр гало Чумацького Шляху не менше ніж удвічі більший за діаметр диска. Там виявлено близько 150 глобулярних кластерів, вік найстаріших перевищує 13 млрд. Років. Гало заповнене темною матерією грудкуватої структури. За останніми даними, форма гало – значно приплющений куля. Загальна маса Галактики може становити до 3 трлн сонячних мас, причому на частку темної матерії припадає 90-95%. Маса зірок Чумацького Шляху оцінюється в 90-100 млрд. Мас Сонця.

Умови для народження зірок і галактик виникли задовго до його початку. Коли Всесвіт пройшла вікову позначку в 400 000 років, плазма в космічному просторі замінилася сумішшю з нейтрального гелію і водню. Цей газ був ще надто гарячий, щоб стягтися в молекулярні хмари, що дають початок зірок. Однак він сусідив з частинками темної матерії, спочатку розподіленими в просторі не цілком рівномірно – де трохи щільніше, де розрідження.Вони не взаємодіяли з баріонним газом і тому під дією взаємного тяжіння вільно стягувалися в зони підвищеної щільності. Згідно модельним розрахунками, вже через сотню мільйонів років після Великого вибуху в космосі утворилися хмари темної матерії завбільшки з нинішню Сонячну систему. Вони об'єднувалися в більші структури, незважаючи на розширення простору. Так виникли скупчення хмар темної матерії, а потім і скупчення цих скупчень. Вони втягували в себе космічний газ, надаючи йому можливість згущуватися і коллапсировать. Таким шляхом з'явилися перші надмасивні зірки, які швидко вибухали надновими і залишали після себе чорні діри. Ці вибухи збагачували космічний простір елементами важче гелію, які сприяли охолодженню колапсуючої газових хмар і тому робили можливим поява менш масивних зірок другого покоління. Такі зірки вже могли існувати мільярди років і тому були в стані формувати (знову-таки за допомогою темної матерії) гравітаційно пов'язані системи. Так виникли довгоживучі галактики, в тому числі і наша.

"Багато деталей галактогенеза ще приховані в тумані, – говорить Джон Корменді. – Зокрема, це відноситься до ролі чорних дір. Їх маси варіюють від десятків тисяч мас Сонця до абсолютного на сьогоднішній день рекорду в 6,6 млрд. Сонячних мас, що належить чорної дірі з ядра еліптичної галактики М87, розташованої в 53,5 млн світлових років від Сонця. Дірки в центрах еліптичних галактик, як правило, оточені Балджит, складеними зі старих зірок. Спіральні галактики можуть зовсім не мати Балджит або ж володіти їх плоскими подобами, псевдо Елджі. Маса чорної діри зазвичай на три порядки менше маси балджа – природно, якщо оно в наявності. Ця закономірність підтверджується спостереженнями, які охоплюють діри масою від мільйона до мільярда сонячних мас ".

Як вважає професор Корменді, галактичні чорні діри набирають масу двома шляхами. Діра, оточена повноцінним балджем, зростає за рахунок поглинання газу, який приходить до Балчі з зовнішньої зони галактики. Під час злиття галактик інтенсивність надходження цього газу різко зростає, що ініціює спалаху квазарів. В результаті балджі і дірки еволюціонують паралельно, що і пояснює кореляцію між їх масами (правда, можуть працювати і інші, ще невідомі механізми).

Інша річ безбалджевие галактики і галактики з псевдобалджем. Маси їх дірок зазвичай не перевищують 104-106 сонячних мас. На думку професора Корменді, вони підгодовуються газом за рахунок випадкових процесів, які відбуваються недалеко від діри, а не сягають на цілу галактику. Така діра зростає незалежно від еволюції галактики або її псевдобалджем, що навіть зумовлено відсутність кореляції між їх масами.

зростаючі галактики

Галактики можуть збільшувати і розмір, і масу. "У далекому минулому галактики робили це набагато ефективніше, ніж в недавні космологічні епохи, – пояснює професор астрономії та астрофізики Каліфорнійського університету в Санта-Круз Гарт Іллінгворт. – Темпи народження нових зірок оцінюють в термінах річного виробництва одиниці маси зоряної речовини (в цій якості виступає маса Сонця) на одиницю об'єму космічного простору (зазвичай це кубічний мегапарсек). За часів формування перших галактик цей показник був дуже невеликий, а потім пішов у швидке зростання, пр продовжували доти, поки Всесвіту не виповнилося 2 млрд. років. Ще 3 млрд.років він був відносно постійним, потім почав знижуватися майже пропорційно часу, і зниження це продовжується до цього дня. Так що 7-8 млрд. Років тому середній темп зореутворення в 10-20 разів перевищував сучасний. Більшість доступних спостереженню галактик вже повністю сформувалися в ту далеку епоху ".

Пришити рукава Чумацького Шляху

На малюнку – результати еволюції в різні моменти часу – початкова конфігурація (a), Через 0,9 (b), 1,8 (c) І 2,65 млрд. Років (d). Згідно з модельним розрахунками, бар і спіральні рукави Чумацького Шляху могли сформуватися в результаті зіткнень сSagDEG, яка спочатку тягнула на 50-100 млрд. Сонячних мас. Двічі вона проходила крізь диск нашої Галактики і втрачала частину своєї матерії (і звичайної, і темної), викликаючи пертурбації його структури. Нинішня маса SagDEG не перевищує десятків мільйонів сонячних мас, і чергова сутичка, яке очікують не пізніше ніж через 100 млн років, швидше за все, стане для неї останнім. Зображення: "Популярна механіка"

Дослідники з Піттсбурзького університету, Каліфорнійського університету в Ірвіні і Атлантичного університету Флориди змоделювали ситуацію зіткнення Чумацького Шляху і попередниці карликової еліптичної галактики в Стрільці (Sagittarius Dwarf Elliptical Galaxy, SagDEG). Вони проаналізували два варіанти зіткнень – з легкої (3х1010 мас Сонця) і важкої (1011 мас Сонця) SagDEG. На малюнку (внизу) зліва направо показані результати 2,7 млрд. Років еволюції Чумацького Шляху без взаємодії з карликовою галактикою і з взаємодією з легким і важким варіантами SagDEG.

У загальних рисах ця тенденція зрозуміла. Галактики збільшуються двома основними способами. По-перше, вони отримують свіжий матеріал для зореутворення, втягуючи з навколишнього простору газ і частинки пилу. Протягом декількох мільярдів років після Великого вибуху цей механізм справно працював просто тому, що зоряного сировини в космосі вистачало всім. Потім, коли запаси виснажилися, темп зоряного народження впав. Однак галактики знайшли можливість збільшувати його за рахунок зіткнення і злиття. Правда, для реалізації цього варіанту необхідно, щоб стикаються галактики мали пристойним запасом міжзоряного водню. Великим еліптичних галактик, де його практично не залишилося, злиття не допомагає, зате в дисковидних і неправильних воно працює.

Курс на зіткнення

Подивимося, що відбувається при злитті двох приблизно однакових галактик дискового типу. Їх зірки практично ніколи не стикаються – занадто великі відстані між ними. Однак газовий диск кожної галактики відчуває приливні сили, обумовлені притяганням сусідки. Баріонна речовина диска втрачає частину кутового моменту і зміщується до центру галактики, де виникають умови для вибухового зростання швидкості зореутворення. Частина цієї речовини поглинається чорними дірами, які теж набирають масу. У заключній фазі об'єднання галактик чорні діри зливаються, а зіркові диски обох галактик втрачають колишню структуру і розосереджуються в просторі. У підсумку з пари спіральних галактик утворюється одна еліптична. Але це аж ніяк не повна картина. Випромінювання молодих яскравих зірок здатне видути частину водню за межі новонародженої галактики. У той же час активна аккреция газу на чорну діру змушує останню час від часу вистрілювати в простір струменя частинок величезної енергії, що підігрівають газ по всій галактиці і тим перешкоджають формуванню нових зірок. Галактика поступово затихає – швидше за все, назавжди.

Галактики неоднакового калібру стикаються по-іншому. Велика галактика здатна поглинути карликову (відразу або в декілька прийомів) і при цьому зберегти власну структуру. Цей галактичний канібалізм теж може стимулювати процеси зореутворення. Карликова галактика повністю руйнується, залишаючи після себе ланцюжки зірок і струменя космічного газу, які спостерігаються як у нашій Галактиці, так і в сусідній Андромеді. Якщо ж одна з зіштовхуються галактик не надто перевершує іншу, можливі навіть цікавіші ефекти.

В очікуванні супертелескоп

Галактична астрономія дожила майже до дев'яностоліття. Вона почала практично з нуля і досягла дуже багато чого. Однак кількість невирішених проблем дуже велике. Так, ніхто не знає, коли і яким чином сформувалися перші галактики і якими шляхами утворюються галактики з дисковою структурою. "Вчені очікують дуже багато від інфрачервоного орбітального телескопа" Джеймс Вебб ", запуск якого намічений на 2018 рік, – каже Гарт Іллінгворт.- На жаль, поки не ясно, чи буде цей проект завершений – через фінансові труднощі. Хочеться сподіватися, що він відбудеться ".


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: