Урок №32. Структура вселенной многообразие галактик. Галактический каннибализм. Активные галактики

В двадцатых годах XX века американский астроном Эдвин Хаббл, наблюдая за цефеидами в туманности Андромеды, пришел к выводу, что она внегалактический объект, и этим доказал существование галактик. Их многообразие поражает воображение. Тем не менее, многочисленные наблюдения позволили Хабблу разделить галактики на определенные морфологические типы: эллиптические (Е), спиральные (S) и неправильные (Ir). Эта классификация отражает не только особенности их видимой формы, но и свойства входящих в них звезд: Е-галактики состоят из очень старых звезд, в Ir-галактиках основной вклад в излучение дают звезды, существенно моложе Солнца, а в S-галактиках характер спектра выдает присутствие звезд всех возрастов. Абсолютная звездная величина самых ярких сверхгигантских галактик М = –24, у карликовых галактик М = –15.

Звезды эллиптических галактик обращаются вокруг центра галактики очень медленно (скорость вращения обычно не превышает нескольких десятков км/с). Таким образом, эллиптические галактики – это системы с низким удельным моментом импульса. Считается, что эллиптические галактики образовывались из медленно вращающихся облаков, сформировавшихся на ранних стадиях эволюции Вселенной. Через несколько миллиардов лет звездообразование в такой галактике практически прекращается.

Следующий морфологический тип - линзовидные галактики – это промежуточный тип между спиральными и эллиптическими галактиками. У них есть гало и диск, но нет спиральных рукавов. Такие галактики обозначаются S0.

Спиральные галактики. В них имеется как гало, так и массивный звездный диск. Темная полоса, идущая вдоль диска – непрозрачный слой межзвездной среды, межзвездная пыль. Галактики различают по степени своей спиральной структуры добавлением к символу S букв a, b, c. Sa – спиральная галактика с мало развитой спиральной структурой и с мощным ядром. Sc – галактика с малым ядром и с сильно развитыми спиральными ветвями. Наша Галактика принадлежит к промежуточному типу Sb. У некоторых спиральных систем в центральной части имеется звездная перемычка – бар. В этом случае к их обозначению после буквы S добавляется B. Считается, что спиральные галактики образовывались из быстро вращающихся облаков, которые в результате вращения сжимались в диски. Из отдельных участков облака образовывались звезды, при этом само облако медленно сжималось. Затем начинают проявляться спиральные рукава. Характер движения звезд и газа в галактиках не одинаков: газ вращается быстрее, чем старые звезды. Если характерные скорости вращения газа в галактиках составляют 150–500 км/с, то старые звезды гало всегда вращаются медленнее. Балджи спиральных галактик, состоящие из старых звезд, вращаются в 2–3 раза медленнее, чем диски.

Около половины вещества в неправильных галактиках – межзвездный газ. К этому классу относятся около 5% всех галактик.

Встречаются среди галактик и карликовые, которые не вписываются в классификацию Хаббла. Они в десятки раз меньше по размерам обычных галактик. Жизненный путь этих звездных систем настолько своеобразен, что накладывает отпечаток и на свойства звезд внутри галактик, и на свойства галактик в целом. Выделено 4 типа подобных образований: карликовые эллиптические (dE), карликовые сфероидальные (dSph), карликовые неправильные (dIr) и карликовые голубые компактные галактики (dBCG). Галактик со спиральными ветвями среди карликов не встречается. Скорее всего, для образования спиралей нужен массивный звездный диск, а масса карликовых галактик недостаточна для этого.

2. Галактический каннибализм.

В середине XX столетия крупные телескопы выявили, что 5–10 % от общего числа галактик имеет весьма странный, искаженный вид, так что их трудно классифицировать по Хабблу. Иногда такие галактики окружены светящимся гало либо связаны звездной перемычкой. Иногда от галактик на сотни тысяч световых лет отходят длинные хвосты. В некоторых системах обращает на себя внимание сложный характер внутреннего движения межзвездного газа. Первым, кто стал изучать взаимодействия близких галактик и составил каталог из тысяч взаимодействующих галактик, был Борис Воронцов-Вельяминов.

Если галактики в своем движении близко походят друг к другу, то они могут испытывать сильное гравитационное взаимодействие на расстоянии, даже не соприкасаясь. Взаимодействие галактик не ограничивается простым изменением их структуры или типа. Влияние друг на друга даже сравнительно далеких галактик приводит к вспышке звездообразования в одной из них или в обеих.

Например, в галактике М64 слились две дисковые спиральные галактики с разным направлением вращения. В итоге возник газопылевой диск, вращающийся в направлении, противоположном вращению звездного диска.

Наша Галактика также захватывает карликовую галактику, находящуюся на расстоянии всего в 60 тысяч световых лет. Через сотню миллионов лет звезды этой карликовой галактики станут звездами нашей Галактики. Магеллановы Облака также разрушаются, находясь неподалеку от нашей Галактики. По подсчетам астрономов в ближайшие несколько миллиардов лет Млечный Путь полностью поглотит все вещество Магеллановых Облаков.

Наша соседка, огромная галактика в созвездии Андромеды, также известная как M31, не удаляется от нас, как полагалось бы по закону Хаббла, а приближается к нам со скоростью 120 километров в секунду! Это означает, что через несколько миллиардов лет две галактики — Туманность Андромеды и Млечный Путь — достигнут друг друга, и начнется долгий процесс пожирания друг друга. Это пожирание будет катастрофичным для обеих галактик: они до неузнаваемости изменят свою форму, спиральные рукава разорвутся под действием гравитации, а траектории движения звезд в галактиках изменятся.

Пять миллиардов лет тому назад, когда образовалось наше Солнце, Туманность Андромеды и Млечный Путь находились на расстоянии 4,2 миллиона световых лет друг от друга. Но поскольку галактики сближаются, к настоящему времени это расстояние сократилось до 2,6 миллионов световых лет. Сближение продолжается и приведет, в конце концов, к столкновению. Тем не менее, расчеты показывают, что столкновение не будет «лобовым». Через 2 миллиарда лет две галактики лишь «зацепятся» спиральными рукавами: их ядра пройдут друг от друга на расстоянии пары сотен тысяч световых лет. Тем не менее, этого расстояния будет достаточно, чтобы галактики закрутились в смертельной гравитационной спирали.

В центрах обеих галактик имеются супермассивные черные дыры, которые в этом катаклизме должны будут сблизиться друг с другом по спирали и соединиться в одну еще более массивную черную дыру. По всей вероятности, такое взаимодействие вытолкнет Солнце во внешнюю область новой галактики на расстояние, по крайней мере, 100 000 световых лет от центра, что, впрочем, благополучно позволит избежать участи быть проглоченным черной дырой.

Через 7 миллиардов лет, когда наше Солнце будет находиться на последнем этапе своей жизни, превратившись в красный гигант, а Земля, (если не переместится на другую орбиту, будет представлять из себя раскаленный шар, галактики сольются окончательно, и во Вселенной появится новая галактика — Млечномеда.

Звездный «каннибализм» – обычное явление в жизни галактик. Процессы поглощения галактик не сопровождаются катастрофическими звездными столкновениями, так как межзвездные расстояния очень велики по сравнению с размерами самих звезд. Однако процесс звездообразования может стать более эффективным, так как формируются массивные облака газа и под действием гравитации их скорости возрастают. Газ проникает к ядру галактики, именно поэтому среди взаимодействующих галактик довольно много систем с активными ядрами. Если при спокойной жизни вращение межзвездного газа в галактике препятствует его попаданию в центр, то воздействие со стороны соседней галактики может сыграть решающую роль в продвижении газа к центру звездной системы. А этот газ является топливом для активного галактического ядра.

Рассматривая центральную часть, даже такой типичной Галактики как наша, мы сможет наблюдать множество интересных явлений. На расстоянии 3-4 кпк от центра Галактики методами радиоастрономии обнаружен рукав нейтрального водорода, расширяющийся со скоростью около 50 км/с и содержащий около 10⁸ масс Солнца. По другую сторону от центра Галактики на расстоянии около 2 кпк имеется рукав с массой, раз в 10 меньшей, удаляющийся от центра со скоростью 135 км/с. В центре балджа имеется диск из нейтрального и молекулярного водорода с радиусом в несколько сотен парсеков, который вращается со скоростью 200 км/с вокруг центра, и в области которого наблюдается усиление нетеплового синхротронного излучения, что говорит об увеличении напряженности магнитных полей.

В центральном сгущении туманности Андромеды обнаружено быстро вращающееся ядро, похожее на шаровое звездное скопление. Подобный объект имеется и в центральном сгущении нашей Галактики, где инфракрасными приемниками излучения обнаружено эллиптическое образование – размерами около 10 пк. Теперь мы уже знаем, что в центре этих галактик находятся гигантские черные дыры с массами в миллионы масс Солнца.

Области ядер других галактик также обладают рядом особых свойств. У многих галактик ядра оказываются источниками огромной энергии, которая не может быть объяснена излучением обычных звезд. В некоторых случаях мощность этих источников больше суммарной мощности излучения звезд всей галактики, причем источник энергии имеет исчезающее малый размер по сравнению с размером галактики. Ядра галактик, в которых происходит интенсивное выделение энергии, называются активными. Эта активность может проявляться в различных формах. В одних случаях это мощное электромагнитное излучение с переменностью в различных масштабах времени, источником которого является небольшой компактный объект в центре галактики с угловым размером не превышающим поперечник Солнечной системы. В других случаях наблюдается выброс вещества из ядер в межгалактическое пространство в виде пучков релятивистских частиц, излучающих радио и рентгеновские волны синхротронным механизмом, или выброс облаков обычного газа со скоростью более десяти тысяч километров в секунду. Число галактик с активными ядрами составляет несколько процентов от числа нормальных галактик.

Особенно часто среди них встречаются так называемые сейфертовские галактики. Это массивные спиральные галактики, в центре которых наблюдается звездообразный источник очень малого углового размера. Спектр его излучения совсем не такой как у звезд. В спектре имеются чрезвычайно широкие эмиссионные линии различных химических элементов. Большая ширина линий объясняется очень высокой скоростью движения газа в ядре. Важной особенностью излучения ядер является их переменность: иногда светимость ядра заметно меняется за несколько месяцев, недель и даже дней. Это указывает на то, что размеры основного источника излучения очень малы. Расстояние между отдельными частями источника, синхронно меняющими яркость, не может быть больше того расстояния, которое свет проходит за несколько дней. В противном случае из-за различия времени распространения света быстрые колебания светимости окажутся сглаженными и не смогут наблюдаться. В столь небольшой области возникает излучение с мощностью до 10³⁷ Вт!

Другой разновидностью галактик с активными ядрами являются радиогалактики. В отличие от сейфертовских, они обычно относятся к массивным эллиптическим галактикам и отличаются мощным радио и рентгеновским излучением, в десятки тысяч раз более интенсивным, чем излучение «нормальных» галактик. Ближайшая к нам радиогалактика находится в созвездии Центавра – радиоисточник Центавр А. Из центрального яркого рентгеновского источника, который вероятно является черной дырой с массой около миллиона масс Солнца идет мощный выброс вещества длиной в 30000 световых лет. В настоящее время известно несколько тысяч галактик с нестационарными ядрами.

В 1960 году ученые обратили внимание на звездообразные объекты, источники мощного радиоизлучения. После анализа спектров этих источников установили, что они находятся на расстоянии более миллиарда световых лет. Подобные объекты были названы квазарами (сокращение от «квазизвездный радиоисточник») или КЗО. Квазары находятся далеко за пределами Галактики. Размеры квазаров не превышают нескольких световых дней, то есть 10¹³–10¹⁴ м, а мощность излучения превышает мощность Солнца в триллион раз. Так квазар 3С9, находящийся на расстоянии 12 миллиардов световых лет, имеет светимость 10³⁸ Вт. Для сравнения полная мощность излучения Галактики во всех диапазонах спектра – 4∙10³⁷ Вт. Общее количество квазаров ярче 20^m звездной величины оценивают в сто тысяч.

Ряд особенностей КЗО указывает на их сходство с активными ядрами галактик. Однако, мощность выделения энергии КЗО в сотни и тысячи раз больше, чем у активных галактик. В настоящее время есть гипотеза, что квазары – ядра далеких галактик на стадии необычно высокой активности, когда их излучение столь велико, что «забивает» излучение самой галактики. Это подтверждается тем, что вокруг многих сравнительно близких КЗО удалось обнаружить свечение в области размером в несколько десятков килопарсек, принадлежащее галактикам, в ядрах которых находятся КЗО. На изображениях многих квазаров, полученных на телескопе Хаббла, наглядно видны галактики, окружающие эти объекты, как эллиптические, так и спиральные.

Механизм выделения огромного количества энергии ядрами галактик и квазарами остается до конца не известным. Предполагается, что он связан с высвобождением гравитационной энергии. Среди активных галактик много взаимодействующих. Предполагается, что перераспределение межзвездного газа при столкновении галактик, и попадание его в центр галактики превращает газ в горючее для активного ядра. В настоящее время общепризнано, что в центре некоторых активных галактик находится сверхмассивные черные дыры, с массой в миллиарды солнечных. По-видимому, активность ядра становится очень высокой в тех случаях, когда вблизи черной дыры скапливается достаточное количество газа.

Галактики редко бывают одиночными. 90 процентов галактик концентрируются в скопления, в которые входят от десятков до нескольких тысяч членов. Средний диаметр скопления галактик 5 Мпк, среднее число галактик в скоплении – 130.

Наша Галактика не исключение, она входит в Местную группу галактик, размеры которой 1,5 Мпк. Кроме нее к этой группе относятся Туманность Андромеды M31, Туманность Треугольника M33, неправильные и карликовые галактики – всего около сорока штук. По последним данным Местная группа движется со скоростью 635 км/с в сторону сверхгалактики М87 в созвездии Девы.

Скопления галактик, по-видимому, самые крупные устойчивые системы во Вселенной. Скопления сферической формы, состоящие из тысяч галактик, называются регулярными. В них чаще всего встречаются эллиптические галактики. Как правило, они являются сильными радиоисточниками. Одним из самых больших скоплений, содержащим 40 000 галактик, является скопление в созвездии Волосы Вероники. Оно находится от нас на расстоянии 100 Мпк. Скопление занимает на небе область диаметром около 10° и имеет размер 10 миллионов световых лет.

В иррегулярных скоплениях много спиральных галактик, но общее число галактик значительно меньше по сравнению с регулярными. Одно из них – скопление в созвездии Девы в 15 Мпк от Местной группы. Скопление Девы огромно: оно покрывает участок неба, в 200 раз превышающий площадь, занимаемую Луной. Одна только эллиптическая галактика M87 из этого скопления по размеру сравнима со всей нашей Местной группой.

Скопления галактик в свою очередь объединяются в сверхскопления. Исследование положения галактик и их скоплений в области диаметром в несколько сотен мегапарсек позволили выявить крупномасштабную структуру Вселенной. Оказалось, что области повышенной концентрации скоплений галактик чередуются с пустотами в сотни миллионов световых лет. Галактики и их скопления образуют в пространстве подобие гигантских ячеек. Местная группа галактик расположена в сверхскоплении Девы. Другое сверхскопление находится в созвездии Геркулеса на расстоянии около 700 миллионов световых лет. Основное отличие сверхскоплений от больших скоплений заключается в том, что они не являются гравитационно связанными системами, т.е. между ними действует закон Хаббла, которому не подчиняются группы и скопления галактик.

Ячеистая структура отражает картину распределения вещества во Вселенной в эпоху, когда галактик еще не существовало. Пространственной моделью структуры Вселенной может служить кусок пемзы. В целом она однородна, хотя в ней есть и вещество и пузырьки воздуха. Так и во Вселенной: в небольших масштабах, например, в масштабах Галактики, вещество распределено неравномерно, но в масштабах сверхскоплений галактик уже распределено практически равномерно.

Поскольку эпоха образования основной массы галактик удалена от нашего времени на миллиарды лет, молодые галактики можно наблюдать только среди очень далеких объектов. Из-за гигантского расстояния мы видим эти галактики в далеком прошлом, в эпоху их молодости. Сравнивая их с относительно близкими галактиками, а значит значительно более старыми, мы можем понять, как они эволюционировали в течение миллиардов лет своего существования.

1. Назовите морфологические типы галактик.

2. Что такое галактический каннибализм?

3. Какие галактики называются активными?

4. Что такое галактический бар?

5. К какому типу галактик относятся Магеллановы облака?

6. Какие галактики относятся к сейфертовским?

7. Что такое квазар?

8. Какие типы галактических скоплений вы знаете?

9.Являются ли сверхскопления галактик гравитационно-связанными системами?