Чтение онлайн

Инфракрасное наблюдение в масштабе 1/10 светового года позволило астрономам отслеживать отдельные звезды, идущие по орбитам вокруг неразрешенного галактического ядра. Нечто, расположенное в пределах этих орбит, заставляет звезды вращаться вокруг общего центра масс с периодами всего в несколько земных лет. Используя простое ньютоновское тяготение, астрономы подсчитали, что таинственный посредник, обладающий притяжением, имеет массу, эквивалентную примерно 4 млн масс Солнца, — и вся она сосредоточена в пределах периметра, не превышающего протяженность орбиты Плутона. Большинство астрономов уверены, что мы наблюдаем динамическое воздействие сверхмассивной черной дыры, скрытой в центре нашей Галактики. В числе других наблюдаемых эффектов можно упомянуть о странно изменчивом излучении, исходящем из области ядра в рентгеновском и гамма-диапазоне. Хотя ядро у нашей Галактики явно тусклое, если сравнить его активность с той, какую проявляют ядра некоторых других гигантских галактик, все же имеются все признаки того, что некогда оно было очень активным. И в недалеком будущем это может преподнести нам немало сюрпризов.

Рис. 7.8. Радиотелескопический снимок области ядра нашей Галактики. Миниспираль теплого ионизированного газа — Стрелец А — имеет размеры около 15 световых лет. Само ядро — Стрелец А* — является нетепловым источником синхротронного излучения, порожденного движением электронов с релятивистскими скоростями в присутствии сильных магнитных полей. В этой области почти не удалось выделить отдельные звезды, но она не может оказаться больше внутренней части Солнечной системы. (Материалы любезно предоставлены: F. Yusef-Zadeh, D. A. Roberts and W. M. Goss. Источник: Национальная радиоастрономическая обсерватория [Associated Universities Inc.], Национальный научный фонд.)

8. «Бродячий цирк» галактик и их космическая экспансия

История астрономии — это история удаляющихся горизонтов.

Эдвин Пауэлл Хаббл. Царство туманностей

Подобно гигантским кораблям, сияющим огнями в ночи, галактики придают необъятной и угрожающей тьме облик и суть. Почему природа выбрала эти самогравитирующиеся «сосуды» на роль пристанищ для большей части светящейся материи? Мы этого не знаем. Мы вполне способны представить мириады звезд и звездных скоплений, разбросанных по космосу, бессмысленных и аморфных, — или гораздо более крупные мегагалактики, простирающиеся на миллионы световых лет и содержащие сотни триллионов солнечных масс. Но астрономы обнаружили иное: оказалось, что большинство наблюдаемых галактик имеют размеры от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч световых лет, а их массы варьируются от нескольких миллионов до нескольких триллионов масс Солнца. Эти сравнительно ограниченные диапазоны размеров и масс перекликаются с размерами отдельных звезд, составляющими от одной десятой до тысячи радиусов Солнца, в то время как их массы варьируются в диапазоне от одной десятой массы Солнца до ста солнечных масс. Что же определяет границы галактики? Вероятно, проблемы, ограничивающие максимальные размеры и массы звезд и галактик, связаны со стабильностью. Если говорить о звездах, то дестабилизирующим фактором становится световая отдача этих гигантских источников термоядерной энергии. Если масса звезды превышает сотню масс Солнца или близка к этой величине, поток фотонов начинает преодолевать притяжение звезды и гонит газы прочь с ее оболочки. Что же касается галактик, то, по всей вероятности, их максимальные размеры ограничены гравитационной и приливной неустойчивостью. С другой стороны, минимальный предел размера и массы звезды установлен ее способностью синтезировать гелий из водорода в своих недрах. Массой менее 0,1 M? обладают лишь коричневые карлики, сжигающие дейтерий, и планеты с еще меньшей массой, не способные поддерживать реакции ядерного синтеза. Зато никакие проблемы, связанные с получением энергии, не ограничивают минимальный размер и минимальную массу галактик. Вероятно, эти пределы установились иначе, в условиях, возникших вскоре после Большого взрыва, когда и образовалась большая часть галактик. Мы рассмотрим эти изначальные времена в девятой и десятой главах. Но сначала давайте поближе познакомимся с галактиками текущей эпохи, за которыми мы можем обстоятельно наблюдать.

Местная группа галактик

Подавляющее большинство небесных тел, заметных невооруженным глазом, находятся в нашем Млечном Пути. И видимые объекты в Солнечной системе, и каждая звезда, и звездные скопления, и темные облака, и эмиссионные туманности пребывают в нашем галактическом доме, кружась в вихре сосуществования. Редкие исключения из этого «отечественного производства» можно пересчитать по пальцам одной руки. Это Большое и Малое Магеллановы Облака, видные в Южном полушарии; галактика Андромеды (М31), которую можно рассмотреть в Северном полушарии темными безлунными ночами; и ее гораздо более тусклый сосед — галактика Треугольника (М33) (рис. 8.1). По запросу «галактики, видимые невооруженным глазом» Интернет выдаст еще несколько названий, но без телескопов их могут различить лишь очень опытные наблюдатели. Безусловно, самые заметные из внегалактических объектов на видимом небе — это Магеллановы Облака, поскольку они гораздо ближе к нам, чем М31 или М33. Если учесть расстояния, то мы увидим, что М31 по размерам близка к Млечному Пути, далее следуют М33, Большое Магелланово Облако и Малое Магелланово Облако. В Местной группе еще сорок с лишним галактик, но они гораздо меньше и относятся к карликовым.

Рис. 8.1. Относительные размеры Млечного Пути, Магеллановых Облаков, галактики Андромеды (М31) и галактики Треугольника (М33) — крупнейших в Местной группе, — наряду с другими известными карликовыми галактиками. (По нескольким источникам.)

Галактики за пределами Местной группы

Наша Местная группа — это лишь одна из как минимум ста групп галактик, составляющих Местное сверхскопление (см. гл. 3). Большинство галактик, представленных в известных каталогах и атласах, входят именно в эту крупную структуру. Расстояния до них определены достаточно достоверно, поскольку в большей их части наблюдались переменные звезды — цефеиды, так что размеры и светимость этих галактик тоже можно было с уверенностью установить.

Последовательность Хаббла

Изначально все, что нам было известно об этих галактиках, — это их облик на фотопластинках. Эдвин Хаббл первым смог увидеть некую систему в широком разнообразии их форм. В этом ему помогли снимки с большой глубиной резкости, полученные с помощью 100-дюймового (2,54 м) отражательного телескопа Хукера, который располагался на вершине обсерватории Маунт- Вилсон неподалеку от Лос-Анджелеса. Классификация Хаббла, впервые разработанная в 1926 году, легла в основу «камертона Хаб — бла», названного в честь создателя и показанного на рис. 8.2.

Взглянем на схему. Если идти слева направо, то мы увидим, что центральный сфероид становится все менее отчетливым, а диск — напротив, все более заметным. Сейчас нам уже известно, что в сфероиде звезды вращаются вокруг галактического центра, а в диске, как правило, движутся по круговым орбитам в одной плоскости. Спиральные рукава на диске плотнее всего у типов Sa и свободнее всего у типов Sc. Галактики, расположенные на зубцах камертона, относятся к типам спиральных галактик с баром и без него. Считается, что Млечный Путь относится к промежуточному типу (bc) спиральной (S) галактики с баром (B), что в соответствии с классификацией Хаббла обозначается как SBbc. С того времени как Хаббл впервые распределил галактики по типам, астрономы узнали, что последовательность, в которой выстраиваются сами типы, зависит от постоянно возрастающего запасания газа. В эллиптических галактиках газа меньше всего, поскольку почти все их звезды сформировались в течение нескольких миллиардов лет после рождения самих галактик, со времени которого минуло уже примерно 12 млрд лет. Спиральные галактики дают смешанную картину — их сфероиды давно образовали звезды, но в их дисках все еще много газа, что позволяет им рождать новые звезды в текущую эпоху. У иррегулярных (неправильных) галактик до 30 % наблюдаемой материи находится в газообразной форме, и поэтому они неизменно готовы к непрестанному образованию новых звезд.

Рис. 8.2. «Камертон Хаббла» для различения галактик по внешнему виду на фотоснимках с длинной выдержкой. Со временем с правой стороны, между зубцами, добавился неправильный («иррегулярный») тип галактик. (Материалы любезно предоставлены Wikimedia Commons.)

Гигантские спиральные галактики

Из всех типов именно гигантские спиральные галактики превосходят все остальные по своей захватывающей красоте. Изумительные цветные снимки, сделанные космическим телескопом «Хаббл», показывают, что в этих галактиках присутствуют богатые экосистемы горячих голубых звезд, светящихся газовых туманностей и темных пылевых облаков, наиболее активные области которых располагаются вдоль спиральных рукавов, подобно «бусинам на нити» или «цветкам на ветви». Недавно астрономы-любители, применив технологии цифровой обработки изображений, создали впечатляющие цветные картины этих галактик. И даже распространенные названия ряда самых известных спиральных галактик-гигантов — галактика Треугольника, Водоворот, Подсолнух, Черный Глаз, Сомбреро — отражают нашу реакцию на их изящные формы.

Но как у этих галактик развилась спиральная структура? И как им удалось сохранить свой привлекательный облик на протяжении космологического времени? Сперва астрономы обратили внимание на диски этих галактик, где находятся спиральные рукава. Оказалось, что звезды и газ находятся в сдвиговом движении, так что вещество во внутреннем диске спиральной галактики вращается быстрее, чем вещество на ее внешнем диске. Степень сдвига составляет примерно 10 км/с на каждые 1000 световых лет галактического радиуса — это оказывает небольшой, но значительный эффект по сравнению с характерными скоростями вращения, составляющими 100–300 км/с. При таком сдвиге на диске сами собой образуются спиральные узоры. Просто представьте себе большое облако звездообразующего газа. И облако, и звезды, недавно рожденные в нем, сместятся в спиральный фрагмент, при этом внешние звезды будут отставать от внутренних. Соберите вместе несколько таких «звездных колыбелей», и в диске появится спиралевидный узор (рис. 8.3).

Возможно, подобный характер возникновения спиральных структур, в основу которого положен сдвиг звездообразующих облаков, объяснит «потрепанность» некоторых спиральных галактик — таких, как галактика Треугольника (М33) в одноименном созвездии и галактика Подсолнух (М63) в созвездии Гончих Псов, спиральные рукава у которых короткие и словно раздроблены на мелкие осколки. Однако он не в силах объяснить «великий замысел» таких спиральных галактик, как Водоворот (М51) в том же созвездии Гончих Псов или Вертушка (М101) в созвездии Большой Медведицы, у которых спиральные рукава обширны и в то же время четко очерчены. Кроме того, он не может объяснить и того, почему в некоторых спиральных галактиках с баром, таких как М94 в созвездии Гончих Псов и М95 в созвездии Льва, присутствуют поразительные кольца, активно рождающие новые звезды. В данном случае астрономы допускают существование некой динамической силы, которая согласуется с резонансным поведением, сохранившимся в Солнечной системе до наших дней, и проявляется, например, в том, как ведут себя кольца Сатурна.

Рис. 8.3. Сравнение фрагментарной спиральной структуры, которая появляется в результате сдвига звездообразующих газовых облаков (слева), и более непрерывной спиральной структуры, которая, как объясняет теория волн плотности, возникает в тот момент, когда облака газа проходят через гребень спиральной волны плотности, занявшей прочное положение в диске (справа). (По источнику: Galaxies and the Cosmic Frontier, W. H. Waller and P. W. Hodge.)