Движение звезд, газа и присутствие невидимого вещества

Движение звезд, газа и присутствие невидимого вещества

Для измерения скоростей движения звезд и газа в галактиках используют как спектрографы различных конструкций, так и оптические интерференционные приборы, позволяющие одновременно получить информацию о скоростях движения во многих тысячах точек галактики. Для этого совсем не обязательно измерять скорости индивидуальных звезд или облаков газа – это возможно только для самых близких галактик. Обычно приходится исследовать спектр интегрального излучения, который складывается из спектров большого количества индивидуальных источников, неразличимых по отдельности.

Самым важным физическим процессом, определяющим основные наблюдаемые свойства галактики, является образование звезд из межзвездного газа. Это сложный, многоступенчатый процесс, исследование которого – одна из важнейших задач, решаемая внегалактической астрономией.

Рождение звезд происходит почти исключительно в дисках галактик. Газ, оставшийся когда-то давно после образования основной массы звездного диска, перемешался с течением времени с тем газом, который постоянно сбрасывают с себя стареющие звезды, дожил до нашей эпохи и продолжает производить новые поколения молодых звезд, хотя и не так интенсивно, как миллиарды лет назад. Полная масса этого межзвездного газа в таких галактиках, как наша, обычно составляет несколько миллиардов масс Солнца. Он вращается вокруг центра галактики, находясь вблизи плоскости симметрии звездного диска, где образует сравнительно тонкий слой толщиной в несколько сотен световых лет. Именно в этом слое и возникают массивные газовые конденсации, внутри которых газ постепенно сгущается в сравнительно небольшие и плотные молекулярные облака, а они уже дают начало звездам и молодым звездным группировкам. В S-галактиках самые крупные по размеру области, где концентрируется газ и связанные с ним очаги звездообразования, располагаются длинными неровными цепочками, которые придают клочковатый вид спиральным ветвям.

Размер протяженных областей, в которых концентрируются молодые звезды и звездные скопления, примерно одинаков в самых различных галактиках – несколько сотен парсек. Советский астроном Ю.Н. Ефремов, доказавший существование ячеек звездообразования такого размера в нашей и соседних с ней галактиках, дал им название молодых звездных комплексов. В спиральной галактике их может быть несколько десятков. Радионаблюдения показали, что этим комплексам соответствуют гигантские облака газа ("сверхоблака"), очень неоднородные по структуре. Именно в них появляются условия для зарождения звезд. Но как возникают они сами? Только гравитация может представлять силу, способную собрать большие массы газа. Ключ к пониманию того, как это может происходить, дало сравнение темпов звездообразования в различных областях галактик.

Галактики очень сильно отличаются друг от друга по интенсивности происходящего в них звездообразования. Но количественно сравнить темпы образования звезд в них – задача непростая, поскольку, за исключением ближайших галактик, молодые звезды не видны по отдельности из-за большого расстояния. Обычно используются три наиболее надежных признака, характеризующих активность звездообразования: 1) цвет галактики (молодые массивные звезды делают его более голубым); 2) яркость свечения газа в оптических спектральных линиях, которое возникает при облучении газа ультрафиолетовым светом молодых звезд; 3) мощное излучение "теплой" межзвездной пыли. Пыль здесь играет роль преобразователя световой энергии: она поглощает свет молодых звезд, расположенных в областях с высокой плотностью межзвездной среды, и переизлучает захваченную энергию в далекой инфракрасной области спектра (в основном в спектральном диапазоне 50-500 мкм), а это излучение регистрируется методами внеатмосферных наблюдений. Модельные количественные оценки, основанные на этих критериях, показывают, что в таких галактиках, как наша, современные темпы звездообразования не особенно впечатляющи – за период в миллион лет в среднем образуются молодые звезды с суммарной массой 5-10 миллионов масс Солнца. Это достаточно типичная цифра для галактик. В среднем (только в среднем!), чем больше газа содержится в диске, тем интенсивнее звездообразование, так что если разделить массу рождающихся в единицу времени звезд на массу межзвездного газа, то полученная величина не будет сильно зависеть от размера галактики или количества газа в ней и составит для большинства галактик несколько масс Солнца в год в расчете на десять миллиардов солнечных масс газа. Это отношение темпов звездообразования к массе газа, участвующего в нем, называют эффективностью образования звезд (ЭОЗ). Чем выше ЭОЗ, тем благоприятнее условия для звездообразования и тем быстрее галактика истощит свои запасы межзвездного газа – он будет переходить в звезды, пока его плотность не станет чрезвычайно низкой. Поэтому в галактиках, сохранивших много газа (например, в Ir-галактиках, где газ составляет иногда 30-50 % от массы диска), ЭОЗ должна быть сравнительно низкой.

Чем же обусловлена величина ЭОЗ? Первый физический механизм, приводящий к увеличению ЭОЗ, связан с наличием спиральных ветвей в галактиках. Механизм возникновения спирального узора, причина его долгоживучести, характер взаимодействия с газом остаются важнейшими и далеко еще не решенными проблемами физики галактик, несмотря на активную работу теоретиков и наблюдателей в этой области. Рассмотрим подробнее, что кроется за видимой картиной спиралей.

Вернемся к кривым вращения спиральных галактик. Точки, полученные по измерениям скоростей, никогда не лежат точно на гладкой кривой, "отскакивая" то в одну, то в другую сторону от нее. Для этого может быть три причины: 1) ошибки наблюдений; 2) существование локальных нарушений кругового движения газа, связанных, например, с мощными областями звездообразования, где излучение молодых звезд способно передать межзвездному газу большую энергию; 3) наиболее интересная: на круговое движение газа накладываются систематические волнообразные движения, связанные с его упорядоченными колебаниями в диске. Газовые облака осциллируют (по всем трем координатам) относительно положения равновесия на круговой орбите с амплитудой, иногда достигающей нескольких десятков км/с. Эти осцилляции газа не всегда можно выявить по кривым вращения, здесь требуется подробный математический анализ измерения скоростей газа в тысячах точек на диске галактики. Современная техника позволяет провести такие исследования и выявить систематические отклонения от чисто кругового движения методом фурье-анализа.

Колебания скоростей газа связаны с тем, что по вращающемуся диску большинства галактик распространяются волны уплотнения или спиральные волны плотности (линии равных фаз этих колебаний имеют вид спиралей). Они обегают диск за несколько сотен миллионов лет с постоянной угловой скоростью. По-видимому, единого механизма возбуждения таких колебаний нет. Среди возможных рассматриваются и гравитационные, и газодинамические неустойчивости вращающегося диска, и гравитационное воздействие на газ и звезды со стороны вытянутого звездного уплотнения (называемой перемычкой), нередко наблюдаемого во внутренних областях S-галактик, и, наконец, влияние близких галактик, возбуждающих своим гравитационным полем волны в диске. Все они в состоянии вызвать образование спиральных волн плотности. Именно эти волны ответственны за появление длинных упорядоченных спиральных ветвей галактик, таких красивых на фотографиях.

Волны непрерывно "прокатываются" как по газовому, так и по звездному диску, но из-за того, что звездный газ – это динамически более горячая среда, амплитуда колебаний плотности звездного диска редко бывает высокой. Иное дело межзвездный газ: благодаря свойствам диссипативности его отклик на волну сжатия может быть очень сильным. Газ в спиральной волне сжимается, часто наблюдаются признаки ударной волны там, где волна плотности достаточно сильная. Как показывают теоретические расчеты, при сжатии газа вслед за его кратковременным нагревом наступает фаза охлаждения, так как с возрастанием плотности газа растет и его способность терять тепловую энергию, которая уносится излучением. Все это приводит к активизации образования холодных газовых облаков и их комплексов, и в конечном счете к возникновению очагов звездообразования, обычно наблюдаемых вдоль спиральных ветвей.

Другой механизм, стимулирующий звездообразование, – это гравитационная неустойчивость газового диска, возникающая когда средняя плотность газа на данном расстоянии от центра достигает определенной критической величины. Рост неустойчивости приводит к появлению крупномасштабных конденсаций в диске (сверхоблаков), характерные расстояния между которыми составляют 1-3 кпк. Один из авторов этой идеи американский астрофизик Р. Кенникатт первым показал, что темпы звездообразования в галактиках становятся очень низкими именно там, где плотность опускается ниже критического значения для гравитационной устойчивости. Этот порог плотности определяется теоретически, он зависит прежде всего от угловой скорости вращения газового диска и ее производной по радиусу. Следовательно, и в данном случае кинематика газа в галактике играет ключевую роль.

Еще один механизм, способствующий более интенсивному звездообразованию, также связанный с движением газа, был обнаружен при изучении взаимодействия близких галактик (термин "взаимодействующие галактики" был предложен советским астрономом Б.А. Воронцовым-Вельяминовым, первым начавшим систематическое исследование галактик в парах или тесных группах с заметными искажениями формы). Если галактики в своем движении подходят близко друг к другу, то они могут испытывать сильное взаимное гравитационное воздействие на расстоянии, еще не соприкасаясь, а при очень близком прохождении или при взаимном проникновении оно становится особенно сильным. В этом случае галактики могут даже слиться друг с другом за несколько сотен миллионов лет, отдав звездному газу избыток энергии своего относительного движения (как происходит такой процесс, наглядно показали численные эксперименты). Влияние гравитационного поля соседней галактики приводит к изменению орбит звезд, но особенно сильно на внешнее воздействие реагирует газ в силу того, что он образует наиболее динамически "холодную" систему. Происходит своего рода перемешивание орбит облаков, резко возрастает частота их столкновений, увеличиваются потери тепловой энергии газа. В итоге, как и в спиральных волнах плотности, ускоряется образование холодных массивных облаков, из вещества которых рождаются звезды. По этой причине многие взаимодействующие галактики отличаются удивительно высокими темпами звездообразования: ЭОЗ в них может более чем вдесятеро выше среднего уровня (в рекордных случаях, при слиянии галактик, в сотни раз).