Галактики как космические объекты

В одном из выступлений А. Эйнштейн сказал (в 1929 г.): "Если говорить честно, мы хотим не только узнать, как устроена, ... но и по возможности достичь цели утопической и дерзкой на вид — понять, почему природа является именно такой... В этом состоит прометеевский элемент научного творчества". Галактики стали предметом космогонических исследований с 20-х годов нашего века, когда была надежно установлена их действительная природа, и оказалось, что это не туманности, т. е. не облака газа и пыли, находящиеся неподалеку, а огромные звездные миры, лежащие на очень больших расстояниях от нас.

Открытия и исследования в области космологии прояснили в последние десятилетия многое из того, что касается предыстории галактик и звезд, физического состояния разряженного вещества, из которого они формировались в очень далекие времена. В основе всей современной космологии лежит одна фундаментальная идея — восходящая к Ньютону идея гравитационной неустойчивости. Вещество не может оставаться однородно рассеянным в пространстве, ибо взаимное притяжение всех частиц вещества стремиться создать в нем сгущения тех или иных масштабов и масс. В ранней Вселенной гравитационная неустойчивость усиливала первоначально очень слабые нерегулярности в распределении и движении вещества и в определенную эпоху привела к возникновению сильных неоднородностей: "блинов" — протоскоплений. Границами этих слоев уплотнения служили ударные волны, на фронтах которых первоначально невращательное, безвихревое движение вещества приобретало завихренность. Распад слоев на отдельные сгущения тоже происходил, по-видимому, из-за гравитационной неустойчивости, и это дало начало протогалактикам.

Многие из них оказывались быстро вращающимися благодаря завихренному состоянию вещества, из которого они формировались. Фрагментация протогалактических облаков в результате их гравитационной неустойчивости вела к возникновению первых звезд, и облака превращались в звездные системы галактики. Те из них, которые обладали быстрым вращением, приобретали из-за этого двухкомпонентную структуру — в них формировались гало, более или менее сферической формы, и диск, в котором возникали спиральные рукава, где и до сих пор продолжается рождение звезд. Протогалактики, у которых вращение было медленнее или вовсе отсутствовало, превращались в эллиптические или неправильные галактики.

Параллельно с этим процессом происходило формирование крупномасштабной структуры Вселенной — возникали сверхскопления галактик, которые, соединяясь своими краями, образовывали подобие ячеек или пчелиных сот; их удалось распознать в последние годы.

В 20 – 30 гг. XX века Хаббл разработал основы структурной классификации галактик — гигантских звездных систем, согласно которой различают три класса галактик: спиральные, эллиптические и иррегулярные.

Спиральные галактики

Для спиральных галактик характерны две сравнительно ярких ветви, расположенные по спирали. Ветви выходят либо из яркого ядра (такие галактики обозначаются S), либо из концов светлой перемычки, пересекающей ядро (обозначаются — SB).

Представитель — галактика М82 в созвездии Б. Медведицы, не имеет четких очертаний и состоит в основном из горячих голубых звезд и разогретых ими газовых облаков. М82 находится от нас на расстоянии 6,5 миллионов световых лет. Возможно, около миллиона лет тому назад в центральной ее части произошел мощный взрыв, в результате которого она приобрела сегодняшнюю форму.

Спиральная галактика М51 в созвездии Гончих Псов — одна из самых удивительных спиральных звездных систем. Расстояние до них составляет около 8 миллионов световых лет. Утолщение на конце спиральной ветви — это самостоятельная неправильная галактика, а отдельные яркие звезды находятся в нашей галактике.

Эллиптические галактики

Имеют форму эллипсоидов (обозначаются Е).

Представитель — кольцевая туманность в созвездии Лиры, находится на расстоянии 2100 световых лет от нас и состоит из светящегося газа, окружающего центральную звезду. Эта оболочка образовалась, когда состарившаяся звезда сбросила газовые покровы, и они устремились в пространство. Звезда сжалась и перешла в состояние белого карлика, по массе сравнимого с нашим солнцем, а по размеру — с Землей.

Иррегулярные галактики

Также называются неправильными, обладают неправильными формами (обозначаются I).

Представители — Большое Магелланово Облако, которое находится на расстоянии 165.000 световых лет и, таким образом, является ближайшей к нам галактикой сравнительно небольшого размера. Рядом с ней расположена галактика поменьше — Малое Магелланово Облако. Обе они — спутники нашей галактики.
По степени клочковатости ветвей спиральные галактики разделяются на подтипы а, в, с. У первых из них — ветви аморфны, у вторых — несколько клочковаты, у третьих — очень клочковаты, а ядро всегда неярко и мало. Во второй половине 40-х годов ХХ века У. Бааде (США) установил, что клочковатость спиральных ветвей и их голубизна растут с повышением содержания в них горячих голубых звезд, их скоплений и диффузных туманностей. Центральные части спиральных галактик более желтые, чем ветви, и содержат старые звезды (население второго типа, по Бааде, или население сферической составляющей), тогда как плоские спиральные ветви состоят из молодых звезд (население первого типа, или население плоской составляющей).

Плотность распределения звезд в пространстве растет с приближением к экваториальной плоскости спиральных галактик. Эта плоскость является плоскостью симметрии системы, и большинство звезд при своем вращении вокруг центра галактики остается вблизи нее; периоды обращения составляют 10⁷ – 10⁹ лет. При этом внутренние части вращаются как твердое тело, а на периферии угловая и линейная скорости обращения убывают с удалением от центра. Однако в некоторых случаях находящееся внутри ядра еще меньшее ядрышко ("керн") вращается быстрее всего. Аналогично вращаются и неправильные галактики, являющиеся также плоскими звездными системами.

Эллиптические галактики состоят из звезд второго типа населения. Вращение обнаружено лишь у наиболее сжатых из них. Космической пыли в них, как правило, нет, чем они отличаются от неправильных и особенно от спиральных галактик, в которых поглощающее свет пылевое вещество имеется в большом количестве.

В спиральных галактиках поглощающее свет пылевое вещество имеется в большем количестве. Оно составляет от нескольких тысячных до сотой доли полной их массы. Вследствие концентрации пылевого вещества к экваториальной плоскости оно образует темную полосу у галактик, повернутых к нам ребром и имеющих вид веретена.

Радиоастрономические наблюдения позволили обнаружить в галактиках скопления нейтрального водорода. Масса его относительно мала в спиральных галактиках типа Sa, достигает нескольких процентов в Sb и доходит до 10% от массы звезд в галактиках Sc, а также в неправильных галактиках.

В основном, нейтральный водород — главная часть газовой составляющей галактик — расположен в узком экваториальном слое, но отдельные облака наблюдаются и далеко от него, где нет весьма горячих звезд, способных ионизировать его и привести в состояние свечения.

Последующие наблюдения показали, что описанная классификация недостаточна, чтобы систематизировать все многообразие форм и свойств галактик. Так, были обнаружены галактики, занимающие в некотором смысле промежуточное положение между спиральными и эллиптическими галактиками (обозначаются So). Эти галактики имеют огромное центральное сгущение и окружающий его плоский диск, но спиральные ветви отсутствуют. В 60-х годах ХХ века были открыты многочисленные пальцеобразные и дисковидные галактики со всеми градациями обилия горячих звезд и пыли. Еще в 30-х годах ХХ века были открыты эллиптические карликовые галактики в созвездиях Печи и Скульптора с крайне низкой поверхностной яркостью, настолько малой, что эти галактики, одни из ближайших к нам, даже в центральной своей части с трудом видны на фоне неба. С другой стороны, в начале 60-х годов ХХ века было открыто множество далеких компактных галактик, из которых наиболее далекие по своему виду неотличимы от звезд даже в сильнейшие телескопы. От звезд они отличаются спектром, в котором видны яркие линии излучения с огромными красными смещениями, соответствующими таким большим расстояниям, на которых даже самые яркие одиночные звезды не могут быть видны. В отличие от обычных далеких галактик, которые из-за сочетания истинного распределения энергии в их спектре и красного смещения выглядят красноватыми, наиболее компактные галактики (называющиеся также квазозвездными галактиками) имеют голубоватый цвет. Как правило, эти объекты в сотни раз ярче обычных сверхгигантских галактик, но есть и более слабые. У многих галактик обнаружено радиоизлучение нетепловой природы, возникающее, согласно теории русского астронома И. С. Шкловского, при торможении в магнитном поле электронов и более тяжелых заряженных частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света (так называемое синхротронное излучение). Такие скорости частицы получают в результате грандиозных взрывов внутри галактик.

Компактные далекие галактики, обладающие мощным нетепловым радиоизлучением, называются N-галактиками.

Звездообразные источники с таким радиоизлучением называются квазарами (квазозвездными радиоисточниками), а галактики, обладающие мощным радиоизлучением и имеющие заметные угловые размеры, — радиогалактиками.

Все эти объекты чрезвычайно далеки от нас, что затрудняет их изучение.

Радиогалактики, имеющие особенно мощное нетепловое радиоизлучение, обладают преимущественно эллиптической формой, однако встречаются и спиральные.

Большой интерес представляют так называемые галактики Сейферта. В спектрах их небольших ядер имеется много очень широких ярких полос, свидетельствующих о мощных выбросах газа из их центра со скоростями, достигающими несколько тысяч км/сек. У некоторых галактиках Сейферта обнаружено очень слабое нетепловое радиоизлучение. Не исключено, что и оптическое излучение таких ядер, как и в квазарах, обусловлено не звездами, а также имеет нетепловую природу. Возможно, что мощное нетепловое радиоизлучение — временный этап в развитии квазозвездных галактик.

Близкие к нам радиогалактики изучены полнее, в частности, методами оптической астрономии. В некоторых из них обнаружены пока еще не объясненные до конца особенности. Так, в эллиптической галактике Цента А обнаружена необычайно мощная темная полоса вдоль ее диаметра. Еще одна радиогалактика состоит из двух эллиптических галактик, близких друг к другу и соединенных перемычкой, состоящей из звезд.

При изучении неправильной галактики М82 в созвездии Большой Медведицы американские астрономы А. Сандж и Ц. Линдс в 1963 году пришли к заключению, что в ее центре около 1,5 миллионов лет назад произошел грандиозный взрыв, в результате которого во все стороны со скоростью около 1000 км/сек были выброшены струи горячего водорода. Сопротивление межзвездной среды помешало распространению струй газа в экваториальной плоскости, и они потекли преимущественно в двух противоположенных направлениях вдоль оси вращения галактики. Этот взрыв, по-видимому, породил и множество электронов со скоростями, близкими к скорости света, которые явились причиной нетеплового радиоизлучения.

Задолго до обнаружения взрыва в М82 для объяснения других многочисленных фактов советский астроном В. А. Амбарцумян выдвинул гипотезу о возможности взрывов в ядрах галактик. По его мнению, такое вещество и сейчас находится в центре некоторых галактик, и оно может делиться на части при взрывах, которые сопровождаются сильным радиоизлучением.

Таким образом, радиогалактики — это галактики, у которых ядра находятся в процессе распада. Выброшенные плотные части продолжают дробиться, возможно, образуют новые галактики-сестры или спутники галактик меньшей массы. При этом скорости разлета осколков могут достигать огромных значений. Исследования показали, что многие группы и даже скопления галактик распадаются: их члены неограниченно удаляются друг от друга, как если бы они все были порождены взрывом.

Не объяснены еще также причины образования так называемых взаимодействующих галактик, обнаруженных в 1957 – 58 годах советским астрономом Б. А. Воронцовым-Вильяминовым. Это пары или тесные группы галактик, в которых один или несколько членов имеют явные искажения формы, придатки; иногда они погружены в общий светящийся туман.

Наблюдаются такие тонкие перемычки, соединяющие пару галактик, и "хвосты", направленные прочь от соседней галактики, как бы отталкиваемые ею. Перемычки иногда бывают двойными, что свидетельствуют о том, что искажения форм взаимодействующих галактик не могут быть объяснены приливными явлениями. Часто большая галактика одной из своих ветвей, иногда деформированной, соединяется со спутником. Все эти детали, подобно самим галактикам, состоят из звезд и иногда из диффузной материи.

Часто галактики встречаются в пространстве парами и более крупными группами, иногда в виде скоплений, содержащих сотни галактик.

Наша галактика с Магеллановыми Облаками и с другими ближайшими галактиками составляют, вероятно, также отдельное местное скопление галактик. Магеллановы облака и наша галактика, по-видимому, погружены в общее для них водородное облако. Группы и скопления разнообразны по типам входящих в них галактик. Иногда в них входят только спиральные и неправильные, иногда — только эллиптические галактики, иногда же — и те, и другие. Ближайшими к нам являются разряженное облако галактик в Большой Медведице и неправильные скопления в созвездии Девы. Оба содержат галактики всех типов. Очень богатое и компактное скопление галактик Е и So, находящееся в созвездии Волос Вероники, насчитывает тысячи членов. Светимости и размеры галактик весьма разнообразны.

Галактики-сверхгиганты имеют светимости, в 10 раз превышающие светимость Солнца, квазары в среднем еще в 100 раз ярче; слабейшие же из известных галактик-карликов сравнимы с обычными шаровыми звездными скоплениями в нашей галактике. Их светимость составляет около 10 светимостей Солнца.

Размеры галактик весьма разнообразны и колеблются от десятков парсек до десятков тысяч парсек.

Пространство между галактиками, особенно внутри скоплений галактик, по-видимому, содержит иногда космическую пыль. Радиотелескопы не обнаруживают в них ощутимого количества нейтрального водорода, но космические лучи пронизывают его насквозь так же, как и в электромагнитное излучении.

Известно около 1.5 тысяч ярких галактик (до 13-ой звездной величины). В "Морфологическом каталоге галактик" (который состоит из четырех томов), составленном еще в СССР (публикация окончена в 1968 году), содержатся сведения о 30 тысячах галактик ярче 15 звездной величины. Они охватывают 3/4 всего неба. 5-метровому телескопу доступно несколько миллиардов галактик до 21-звездной величины. Такие галактики отличаются от слабейших звезд лишь легкой размытостью изображения.

Галактика состоит из множества звезд различных типов, а также звездных скоплений и ассоциаций, газовых и пылевых туманностей и отдельных атомов и частиц, рассеянных в межзвездном пространстве. Большая часть их занимает объем линзообразной формы поперечником около 30 и толщиной около 4 килопарсек (соответственно около 100 тысяч и 12 тысяч световых лет). Меньшая часть заполняет почти сферический объем с радиусом около 15 килопарсек (около 50 тысяч световых лет).

Все компоненты галактики связаны в единую динамическую систему, вращающуюся вокруг малой оси симметрии. Земному наблюдателю, находящемуся внутри галактики, она представляется в виде Млечного Пути (отсюда и ее название — "Галактика") и всего множества отдельных звезд, видимых на небе.

Звезды и межзвездная газопылевая материя заполняют объем галактики неравномерно: они наиболее сосредоточены около плоскости, перпендикулярной оси вращения галактики и составляющейся плоскостью ее симметрии (так называемой галактической плоскостью). Вблизи линии пересечения этой плоскости с небесной сферой (галактического экватора) и виден Млечный Путь, средняя линия которого представляет собой почти большой круг, так как Солнечная система находится недалеко от этой плоскости. Млечный Путь представляет собой скопление огромного количества звезд, сливающихся в широкую белесую полосу; однако звезды, проектирующиеся на небе рядом, удалены друг от друга в пространстве на огромные расстояния, исключающие их столкновения, несмотря на то, что они движутся с большими скоростями (десятки и сотни км/сек) в направлении полюсов галактики (ее северный полюс находится в созвездии Волос Вероники). Общее количество звезд в галактике оценивается в 100 миллиардов.

Межзвездное вещество рассеяно в пространстве также не равномерно, концентрируясь преимущественно вблизи галактической плоскости в виде глобул, отдельных облаков и туманностей (от 5 до 20 – 30 парсек в поперечнике), их комплексов или аморфных диффузных образований. Особенно мощные, относительно близкие к нам темные туманности представляются невооруженному глазу в виде темных прогалин неправильных форм на фоне полосы Млечного Пути; дефицит звезд в них является результатом поглощения света этими несветящимися пылевыми облаками. Многие межзвездные облака освещены близкими к ним звездами большой светимости и представляются в виде светлых туманностей, так как светятся либо отраженным светом (если состоят из космических пылинок), либо в результате возбуждения атомов и последующего испускания ими энергии (если туманности газовые).

Наши дни с полным основанием называют золотым веком астрофизики, замечательные и чаще всего неожиданные открытия в мире звезд следуют сейчас одно за другим. Солнечная система стала последнее время предметом прямых экспериментальных, а не только наблюдательных исследований. Полеты межпланетных космических станций, орбитальных лабораторий, экспедиции на Луну принесли множество новых конкретных знаний о Земле, околоземном пространстве, планетах, Солнце. Мы живем в эпоху поразительных научных открытий и великих свершений. Самые невероятные фантазии неожиданно быстро реализуются. С давних пор люди мечтали разгадать тайны Галактик, разбросанных в беспредельных просторах Вселенной. Приходится только поражаться, как быстро наука выдвигает различные гипотезы и тут же их опровергает. Однако астрономия не стоит на месте: появляются новые способы наблюдения, модернизируются старые. С изобретением радиотелескопов, например, астрономы могут заглянуть на расстояния, которые еще в 40-x годах ХХ столетия казались недоступными. Однако надо себе ясно представлять огромную величину этого пути и те колоссальные трудности, с которыми еще предстоит встретиться на пути к звездам