Было время, когда люди считали, что Земля — центр Вселенной, вокруг которого вращаются все небесные тела. Сейчас мы знаем, что это совсем не так: наша Солнечная система всего лишь крошечная часть огромной галактики под названием Млечный Путь — колоссальной по земным меркам и одновременно с этим бесконечно маленькой на фоне бескрайней Вселенной.
Чтобы понять, насколько грандиозны галактические масштабы, достаточно привести небольшой пример. Диаметр Солнца в сто с лишним раз больше, чем диаметр Земли. Но по сравнению с размерами галактики это совершенно ничтожная цифра. Их соотношение примерно такое, как если бы мы сравнивали точку в конце этого предложения с целым континентом. А ведь галактик во Вселенной — неисчислимое множество, и они расположены не вплотную друг к другу. И все они такие разные…
Эллиптические галактики, вопреки названию, не обязательно имеют форму эллипса. Их форма варьируется от вытянутой до практически круглой (на фото — NGC1404), а яркость постепенно уменьшается от центра к краям. В эллиптических галактиках практически нет главного строительного материала вселенной — газа и пыли, поэтому там не образуются новые звёзды. Такие галактики состоят преимущественно из красных и жёлтых гигантов и карликов, с редкими вкраплениями тусклых белых звёзд.
NGC 1365, спиральная галактика с перемычкой (Фото: ESO/IDA/Danish 1.5 m/ R. Gendler, J-E. Ovaldsen, C. Thöne, and C. Feron) — NGC 1365, спиральная галактика с перемычкой
Спиральные галактики, в отличие от эллиптических, — «космический инкубатор» для звёзд. Особенно активно процесс звездообразования идёт в так называемых рукавах. Но старые звёзды в этих галактиках тоже есть. Часть из них находится в центре — в светящемся эллиптическом уплотнении под названием балдж. Другие распределены по всей площади сферического гало, окружающего балдж и рукава. У большинства наблюдаемых спиральных галактик есть исходящие из центра перемычки из ярких звёзд, называемые барами. Типичный пример — наш Млечный Путь. По мнению астрономов, бары стимулируют процесс звездообразования, пропуская через себя газ из спиральных ветвей. Со временем они исчезают, и галактика превращается в обычную спиральную.
Издалека спиральная галактика, если смотреть на неё сбоку, напоминает плоский диск, так что в некотором смысле древние люди всё-таки были правы, утверждая, что мы с вами живём на диске. Только с масштабами немного ошиблись (NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
NGC 5866 (NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Линзообразные галактики получаются из спиральных, когда те тратят или теряют большую часть своей межзвёздной материи. Такие галактики сочетают в себе особенности двух предыдущих. Так же, как и спиральные, они имеют форму диска, поэтому галактики этих двух типов бывает сложно различить. Однако, как и эллиптические, линзообразные галактики состоят преимущественно из старых звёзд. Новые в них образуются редко, поскольку межзвёздной материи на это уже не хватает.
Галактика Барнарда — неправильная, но с перемычкой!
Примерно четверть всех наблюдаемых галактик неправильные (иррегулярные) — их нельзя однозначно классифицировать. У одних можно различить некое подобие прежней структуры, в других звёзды расположены совершенно хаотично. Чаще всего неправильные галактики появляются в результате столкновения двух галактик. Иногда галактики не имеют чёткой структуры вовсе не из-за внешнего воздействия, а из-за того, что они ещё не до конца сформировались, — в таких галактиках большинство звёзд намного моложе нашего Солнца.
Галактика Центавр-А — единственная эллиптическая галактика, имеющая спиральные элементы. По мнению астрономов, фрагменты спиралей — не что иное, как «непереваренные» остатки поглощённой спиральной галактики (фото: ESO/WFI (Optical); MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al. (Submillimetre); NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al. (X-ray))
Мир-кольцо
(Фото: NASA)
Привыкшие к строгому учёту и классификации астрономы долго недоумевали, когда обнаружили в созвездии Змеи образование Объект Хога. Дело в том, что у этой галактики в центре есть ядро из старых жёлтых звёзд, вокруг которого располагается кольцо абсолютно правильной формы из молодых голубых звёзд. Исследователи сперва предположили, что эти две части не связаны между собой, но потом придумали для объекта Хога отдельный класс кольцевых галактик. В котором он, кстати, не единственный представитель — если присмотреться, то на фото можно рассмотреть вдалеке ещё одну точно такую же галактику.
Размеры галактик поражают многообразием. Самая крупная из обнаруженных на данный момент — линзообразная IC 1101 из скопления Abell 2029 с диаметром примерно 6 миллионов световых лет (то есть свет от центра к окраинам будет идти 3 миллиона лет). Вторая по величине галактика Геркулес-А меньше в четыре раза, при этом её масса всё равно в тысячу раз больше массы нашей галактики. Третья по величине галактика NGC 262 чуть меньше Геркулеса-А — её диаметр составляет 1,3 миллиона световых лет.
Шесть миллионов световых лет в одном снимке (фото: David A. Aguilar (CfA))
Самую маленькую из известных человечеству галактик — Segue 2 — учёные обнаружили неподалёку от Млечного Пути. Эта галактика очень старая: её звёздам, которых насчитывается всего тысяча, уже миллиарды лет. Вероятнее всего, существуют галактики ещё меньше, но их пока довольно трудно обнаружить. Обычно у крупных галактик есть большое количество вращающихся вокруг них карликовых спутников.
Segue 2 — «космический гномик», вернее, дворф (Garrison-Kimmel, Bullock / UCI)
Галактики любых размеров и форм также могут быть радиогалактиками. Все галактики «светятся» в радиодиапазоне, но к радиогалактикам относят лишь те из них, которые излучают в нём особенно интенсивно. Самые мощные из известных — Лебедь А (3C 405), Центавр А (NGC 5128), Дева А (NGC 4486) и Печь А (NGC 1316). Наблюдение за неправильной галактикой М82 привело учёных к выводу, что причиной интенсивного радиоизлучения может стать сильный взрыв в ядре.
«Лебедь А», мощный источник радиоволн (J. McKean and M. Wise / ASTRON)
Существует две основных гипотезы того, как образуются галактики. Согласно иерархической теории, галактики стали формироваться, когда звёзды, появившиеся после Большого Взрыва, начали собираться в скопления под действием гравитации. По мнению сторонников инфляционной теории, галактики и звёзды появились одновременно. Они постепенно формировались из неоднородностей, которые появились после Большого Взрыва. Впоследствии такие неоднородности преобразовались в газовые туманности, из которых и возникли галактики. Переходная стадия их формирования — протогалактики, гигантские облака межзвёздного газа, на 75% состоящие из водорода и ещё на 25% — из гелия. Сила гравитации воздействует на протогалактику несколько миллиардов лет, прежде чем из неё образуется полноценная галактика.
Когда б вы знали, из какого сора создаются галактики!
Насчёт эволюции галактик единого мнения нет. Но то, что на протяжении своей жизни они неоднократно меняются, уже не вызывает у астрономов сомнений. По одной версии, жизненный цикл начинается с бесформенных неправильных галактик с большими запасами необходимых строительных материалов — газа и пыли. Затем они преобразуются в спиральные. Когда процесс звездообразования становится всё менее интенсивным, спиральная галактика постепенно превращается в эллиптическую, пока не достигает идеальной сферической формы.
Вторая версия похожа на первую, только процесс идёт в другом направлении. Эллиптические галактики со временем сплющиваются до линзообразных, а те, в свою очередь, преобразуются в спиральные, затем начинают терять форму с прекращением звездообразования и в конце концов становятся неправильными. Есть также версия, что галактики в принципе не эволюционируют, а изначально формируются такими, какие есть. В таком случае они меняют форму из-за взаимодействия друг с другом.
Галактики поглощают друг друга (NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration and A. Evans (University of Virginia, Charlottesville/NRAO/Stony Brook University), K. Noll (STScI), and J. Westphal (Caltech))
Между собой галактики взаимодействуют очень часто, поскольку все они непрерывно и довольно быстро движутся в разных направлениях и вдобавок имеют склонность к космическому каннибализму. Как правило, чем больше галактика, тем больше соседей она проглотила. Завидным аппетитом отличаются Туманность Андромеды и наш родной Млечный Путь, которые просто-напросто притягивают своих жертв за счёт мощной гравитации.
Если гигант столкнётся с карликом, то, скорее всего, от последнего останутся одни объедки — звёздные потоки, да перемычка на память в центре пожирателя, если он спиральный. Если полное поглощение не удастся, следы взаимодействия всё равно останутся: к примеру, неправильная форма Большого и Малого Магеллановых Облаков (спутников Млечного Пути) — заслуга нашей галактики.
Впрочем, друг друга упомянутые спиральные гиганты тоже притягивают: по расчётам учёных, через три миллиарда лет Млечный Путь и Туманность Андромеды столкнутся и сольются в огромную эллиптическую галактику. Аппетит нового космического образования при этом только удвоится — как показали наблюдения за галактикой Центавр А, «старички» тоже не против подкрепиться молодыми спиральными галактиками.
Невидимая и прожорливая: сверхмассивная чёрная дыра глазами художника
Возможно, причина постоянного голода кроется в устройстве самих галактик, обладающих огромным притяжением. Ведь каждая из них сама образуется вокруг мощнейшего источника гравитации. В центре большинства галактик находится сверхмассивная чёрная дыра — небесное тело с притяжением такой силы, что его не могут покинуть ни вещество, ни излучение. К примеру, в центре Млечного пути находится чёрная дыра, масса которой составляет от двух до пяти миллионов масс Солнца. И это ещё далеко не рекорд. Досконально исследовать, как образуются сверхмассивные чёрные дыры, учёным ещё предстоит. Сейчас они могут лишь относительно точно определять их наличие, наблюдая за центром галактик в радио- и инфракрасном диапазонах. Однако есть признак, который явно указывает на то, что в галактике есть чёрная дыра. Это квазар.
На пути этого луча лучше не попадаться
Считается, что квазары возникают в результате слияния галактик. Сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик притягивают звёзды с такой алчностью, что вокруг них образуется квазар, который излучает в миллионы раз больше энергии, чем самые яркие звёзды. Эти выбросы настолько сильны, что сопровождающие их вспышки легко заметны даже в видимом спектре. Квазары испускают радиоволны, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи невероятной силы.
Влияние чёрных дыр прослеживается и в жизнедеятельности ещё одной разновидности галактик — сейфертовских, названных по имени исследователя Карла Сейферта. Их характерный признак — активное ядро, спектр излучения которого содержит множество ярких широких полос. Эти полосы вызваны мощными выбросами газа из ядра, который движется со скоростью до нескольких тысяч километров в секунду. Сейфертовские галактики обычно бывают неправильными или спиральными.
Благодаря «выхлопам» ядра у NGC 1097 появились новые районы звездообразования
Однако чёрные дыры, квазары и блазары — не единственные составляющие галактик, которые вызывают у учёных множество вопросов. Не менее таинственной остаётся тёмная материя. О самом её существовании учёные догадались лишь из-за аномально высокой скорости, с которой вращаются периферические области галактик. Тёмная материя практически невидима, так как не испускает электромагнитное излучение и не взаимодействует с ним, зато оказывает очень сильное гравитационное воздействие, во много раз большее, чем материя видимая. К примеру, эллиптическую галактику NGC 1132 окружает огромное гало из тёмной материи, масса которого в тысячи раз больше самой галактики.
Влияние тёмной материи особенно хорошо заметно в галактических скоплениях. Это стало известно в ходе опытов с гравитационным линзированием. В основе этих опытов лежит тот факт, что любая масса деформирует пространство, искажая лучи света подобно линзе. Возникающее в скоплении галактик искажение настолько велико, что его легко заметить.
Гигантское космическое увеличительное стекло
Кроме того, без тёмной материи не могли бы образоваться галактики. Одного притяжения фрагментов материи, возникшей после Большого Взрыва, для этого бы не хватило. По большому счёту, тёмная материя различных типов составляет 95% массы Вселенной. Она удерживает вместе существующие галактические сообщества и заполняет пространство между ними.
Аккреционный диск
Основная статья: Аккреционный диск
В стандартной модели АЯГ аккреционный диск (АД) формирует вещество, находящееся вблизи центральной чёрной дыры (ЧД). В отсутствие трения, баланс силы тяжести, создаваемой массой центрального тела, и центробежной силы приводит к кеплеровскому вращению. При этом, угловая скорость вращения вещества с удалением от центра падает (дифференциальное вращение). В аккреционных дисках давление газа не мало. Дифференциальное вращение газа порождает трение, которое нарушает кеплеровское вращение, превращает энергию упорядоченного движения в энергию турбулентности, а затем — в тепло. В турбулентном газе возникает турбулентный и упорядоченный радиальный поток, который, с одной стороны, — выносит угловой момент вращения наружу, а, с другой стороны, — способствует превращению гравитационной энергии в энергию турбулентности. Оба эффекта приводят к значительному нагреву аккреционного диска, что и является причиной его теплового излучения. Теоретически, спектр излучения аккреционного диска вокруг сверхмассивной ЧД должен иметь максимумы в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах. А корона из горячего материала, приподнятого над АД, может вызывать возникновение рентгеновских фотонов за счёт эффекта обратного комптоновского рассеяния. Мощное излучение АД возбуждает холодные частицы межзвёздной среды, что обуславливает эмиссионные линии в спектре. Большая часть энергии, излучаемой непосредственно АЯГ, может поглощаться и переизлучаться в ИК (и других диапазонах) окружающей АЯГ пылью и газом.
Старожилы Вселенной
(Фото: NASA/CXC/NRC/C.Cheung et al; NASA/STScI; NSF/NRAO/VLA)
Согласно стандартной космологической модели, возраст Вселенной — 13,7 миллиардов лет. А свету квазара GB 1428, возникшего благодаря древнейшей сверхмассивной чёрной дыре, потребовалось 13,2 миллиарда лет, только чтобы добраться до Земли. Это означает, что чёрная дыра уже существовала максимум спустя 500 миллионов лет после Большого Взрыва. Это кажется маловероятным, поскольку квазару просто не хватило бы времени для формирования. Самому раннему из обнаруженных прежде квазаров было 12,4 миллиарда лет.
Чтобы хоть как-то объяснить это явление, некоторые учёные даже предположили, что Вселенной, возможно, на пару миллиардов лет больше, поскольку космические объекты, появившиеся одновременно с условным началом времён, редко, но встречаются.
Как звёзды внутри галактик, сами галактики тоже объединяются в крупные образования — галактические скопления. Галактики удерживает вместе гравитация, образуя единую систему. Скопления бывают двух видов. Регулярные состоят из эллиптических и спиральных галактик, причём в центре скопления располагаются гигантские эллиптические галактики. Такие скопления имеют сферическую форму. У иррегулярных же нет строгой формы, в них меньше галактик, а большинство из них спиральные.
Местная группа, в которую входит наш Млечный Путь, состоит из более пяти десятков галактик, и эта цифра постоянно увеличивается по мере того, как учёные открывают новые. В свою очередь, Местная группа — часть Местного Сверхскопления Девы. Другие ближайшие к нам сверхскопления носят названия Гидры-Центавра, Волосы Вероники, Рыбы-Персея, Павлина-Индейца, Феникса, Змееносца, Геркулеса, Льва, Скульптора и Шепли.
Великолепная пятёрка — квинтет Стефана (NASA, ESA, and the Hubble SM4 ERO Team)
Долгое время считалось, что сверхскопления — самые крупные структурные образования во Вселенной. Однако недавние исследования показали, что они лишь часть комплекса галактических суперкластеров — нитей, или филаментов. Помимо нитей, учёные также обнаружили войды — свободное от галактик и звёзд пространство невероятных размеров. Вероятнее всего, войды состоят из тёмной материи и протогалактических облаков.
Нити образуют «великие стены» — относительно плоские структуры, окружённые войдами. Наиболее крупные из которых — Великая стена Геркулес — Северная Корона, Великая стена Слоуна и Великая стена CfA2. Первая пока самая крупная из известных: её протяжённость — 10 миллиардов световых лет, а до её обнаружения в 2013 году таковой считалась Великая стена Слоуна, размер которой гораздо меньше — около миллиарда световых лет.
Найди своё сверхскопление! (Фото: Andrew Z. Colvin)
Ещё одна крупномасштабная структура Вселенной — Громадная группа квазаров (астрономы, кажется, не очень утруждаются, придумывая названия), она же Huge-LQG или U1.27, расположенная в созвездии Льва. Это вторая по величине космическая суперструктура размером 4 миллиарда световых лет.
Кстати, если посмотреть на иллюстрации галактических филаментов, то можно заметить, что они чрезвычайно напоминают сеть нейронов. Впрочем, этому наверняка есть некое не слишком эзотерическое объяснение. Возможно, это просто наиболее удобная форма объединения и взаимодействия для простейших элементов.
Всё, что не светится — тёмная материя
Человечество явно не сможет в ближайшее время покинуть Солнечную систему и поглядеть на отдалённые звёздные тела вживую. Однако и в таких условиях учёные не унывают, а исследуют отдалённые уголки Вселенной, что называется, не сходя с места. В этом им помогают телескопы. Учитывая, что космические объекты производят самые разнообразные виды излучения, наиболее полная картина формируется, если «наложить» друг на друга несколько типов данных — например, снимок в видимом спектре, инфракрасном, рентгеновском, ультрафиолетовом и гамма-излучении.
Галактики предпочитают инфракрасный фильтр
Исследования Вселенной лучше всего проводить, находясь за пределами Земли, поскольку её атмосфера не пропускает многие виды космического излучения. Крупнейшая и известнейшая обсерватория на орбите — телескоп «Хаббл», совместный проект NASA и Европейского космического агентства. «Хаббл» позволяет делать фотографии потрясающей чёткости, поскольку его снимки не подвергаются искажениям атмосферы, что делает его разрешающую способность в 7-10 раз выше аналогов. Совсем недавно телескопу удалось сфотографировать галактики, сформировавшиеся в первый миллиард лет после Большого Взрыва.
Пожалуй, у «Хаббла» самые крутые фото в «Инстаграме» (Фото: NASA, ESA)
Чтобы запечатлеть не только видимое излучение, но и то, что скрывается за облаками газа и пыли, нужны инфракрасные телескопы. На сегодняшний день самый большой из них — 4,1-метровый VISTA Европейской южной обсерватории, который находится в Чили и использует для широкоугольной съёмки неба 3-тонную камеру.
VISTA, самый высокорасположенный наземный телескоп (Фото: ESO)
Кстати, «Хаббл» на околоземном посту тоже сменит инфракрасный телескоп — «Джеймс Уэбб», чья отличительная особенность — зеркала в три раза больше, чем у предшественника (6,5 метра в диаметре). Планируется, что это произойдёт в 2021 году, а ещё через десять лет Европейское космическое агентство планирует запустить в космос крупнейший в истории рентгеновский телескоп-спутник «Афина». Благодаря таким устройствам были открыты двойные звёзды, пульсары и активные ядра галактик, а вот планеты, к примеру, с их помощью не увидеть — в рентгеновских лучах космос выглядит иначе, чем в оптическом диапазоне.
Ядро Туманности Андромеды в инфракрасных лучах (фото: S. Murray, M. Garcia, et al., Authors & editors: Robert Nemiroff (MTU) & Jerry Bonnell (USRA) NASA Technical Rep.: Jay Norris)
Кстати, бывают телескопы и вполне естественного происхождения, и астрономы с большим удовольствием ими пользуются. Речь идёт об упоминавшихся выше гравитационных линзах, которые, к слову, намного мощнее любого из созданных человеком телескопов и при этом совершенно бесплатные. Такая линза усиливает яркость и увеличивает отдалённые тусклые объекты. Объединив усилия природного телескопа, например, с «Хабблом», можно получить невероятные результаты.
Гравитационная линза отклоняет свет, исходящий от далёкого объекта за нею, благодаря чему мы можем увидеть этот объект
Звёздные каталоги
Главной страстью жившего в XVIII веке французского астронома Шарля Мессье были кометы. Его смущало только то, что в звёздном небе было довольно много неподвижных объектов, которые легко было спутать с кометами. Чтобы внести ясность, Мессье решил создать каталог, в который включил все наблюдаемые им звёздные скопления и туманности. Правда, оптические приборы того времени не отличались высокой разрешающей способностью, поэтому в каталог Мессье попало много всякого космического добра: и далёкие галактики, и планетарные туманности, и всевозможные скопления. Первое издание содержало перечень из 45 объектов, однако позднее английский астроном Уильям Гершель расширил его до 102. В таком виде каталог Мессье был впервые издан в 1784 году. Надо отметить, что в этот каталог в основном вошли туманности и скопления, которые можно было наблюдать в Северном полушарии, и для некоторых из них номер в каталоге до сих пор остаётся основным названием.
Помимо каталога Мессье, широко известен Новый общий каталог туманностей и звёздных скоплений (NGC). Этот каталог составил Джоном Дрейером по информации, собранной вышеупомянутым Гершелем. В первоначальной редакции в него вошли уже 7840 объектов, причём наблюдаемых не только в Северном, но и в Южном полушарии. Немного позже он был расширен двумя Индекс-каталогами туманностей и звёзд, после чего перечень объектов увеличился до 13 226. На данный момент NGC — один из крупнейших неспециализированных каталогов.
Оба каталога — и Мессье, и NGC — для многих астрономов-любителей по сей день служат своеобразной «звёздной азбукой», которая помогает им в первых космических исследованиях.
Загадочный кластер Пандоры, рассмотренный благодаря гравитационной линзе (Фото: NASA, ESA, and J. Lotz, M. Mountain, A. Koekemoer, and the HFF Team (STScI)
Примечания
- Засов и Постнов, 2006, с. 371.
- Засов и Постнов, 2006, с. 372.
- [astroweb.ru/slovar_/A.htm Астрономия XXI века -А-]. Проверено 9 января 2014. [astroweb.ru/slovar_/A.htm Архивировано из первоисточника 9 января 2014].
- Burbridge G. R., Burbridge E. M., Sandage A. R.
Evidence for the occurence of violent events in the nucley of galaxies//Rev. Mod. Phys.—1963.—
35
.—p.947-972. - Oort J. H.
The galactic center// Ann. Rev. Astron. Astrophys.—1977.—
15
.—p.295-362. - Гаген-Торн В. А., Шевченко И. И.
Оптическая переменность и радиоструктура внегалактических источников. Свидетельство рекуррентной активности// Астрофизика.—1982.—
18
.—С.245-254. - Van den Bergh S.
Explosions in galaxies// Vistas in Astronomy.—1978.—
22
.—p.307-320. - Марсаков В. А., Сучков А. А.
Функция металличности шаровых скоплений: свидетельство о трёх активных фазах в эволюции галактик// Письма в Астрон. Журн.-1976.-
2
.-С.381-385. - Птускин В. С., Хазан Я. М.
Галактический центр и происхождение космических лучей// Астрон. журн.—1981.—
58
.—С.959-968. - Gensel R. Tounes C. H.
Physical conditions, dynamics and mass distribution in the Galaxy// Ann. Rev. Astron. Astrophys.—1987.—
25
.—p.377-423. - [www.crao.crimea.ua/ Крымская Астрофизическая Обсерватория]
* * *
Любуясь прекрасными снимками далёких галактик, всё время приходится напоминать себе, как далеко они от нас в пространстве и во времени. То, что мы видим, на самом деле путешествие в далёкое прошлое, так как свету требуется огромное количество времени, чтобы добраться от своего источника до Земли. В данный момент все эти галактики могут выглядеть совсем иначе, а мы сможем заметить изменения, лишь когда пройдут миллионы лет. Но, может, найдётся способ сделать это и раньше. Наука ведь не будет всё это время стоять на месте.
