Чтение онлайн

Если сдвигающийся галактический диск испытывает гравитационное возмущение, вызванное или вращением звездного бара, или галактикой-спутником, или его собственной спиральной структурой, он отреагирует в соответствии с частотой собственных колебаний. Астрофизики показали, что вследствие этого, скорее всего, появится спиральная волна плотности, которая будет способна поддерживать сама себя и начнет двигаться вокруг галактики с постоянным орбитальным периодом. Подобно морской волне, накатывающей на берег, волна плотности не состоит из одного и того же вещества, неизменного на протяжении долгого времени, — она состоит из любого вещества, через которое ей случается проходить.

В большей части дисковых галактик звезды и газ движутся быстрее волны и поэтому в конечном итоге проходят сквозь нее. Их взаимодействие можно уподобить тому, как колонна машин, медленно едущих по трассе, проходит через блокпост: чтобы миновать преграду, автомобилям приходится сбавлять скорость, отчего они скапливаются. Примерно так же звезды и газ, проходя через волну плотности, обладающую притяжением, замедляются и сгущаются. В частности, газовые облака сосредоточиваются и сливаются вдоль гребней волн плотности в таком изобилии, что готовы породить новые поколения звезд. Поэтому вдоль спиральных рукавов так много красочных скоплений голубых звезд и розовых областей H II.

Теория спиральных волн плотности в сдвигающихся галактических дисках легко объясняет наблюдаемую субструктуру спиральных рукавов, на всем протяжении которых часто можно увидеть и упорядоченные в пространстве ряды темных пылевых облаков, готовых рождать новые звезды, и недавно возникшие темно-красные области H II, и несколько более старых голубых звездных ассоциаций (рис. 8.3). Теория волн плотности объясняет и наличие звездообразующих колец в некоторых спиральных галактиках. Эти кольца, как правило, возникают на радиусах, близких к резонансам между газовыми облаками и волной плотности, идущими по своим орбитам. Как и в случае с кольцами Сатурна, орбитальные резонансы расчищают кольцевые промежутки и создают неподалеку концентрацию вещества.

Что остается неясным, так это эволюция спиральных галактик на протяжении космологического времени. Продолжают ли звездообразующие спиральные рукава медленно вращаться вокруг галактики в соответствии с волнами плотности, установившимися в их дисках? Или же волны эволюционируют и таким образом преображают внешний вид этих галактик? Поглощают ли сами волны плотности кинетическую энергию из диска, вызывая тем самым радиальные притоки вещества в течение миллиардов лет? А как насчет спиральных галактик с баром? Являются ли бары относительно постоянными скоплениями звезд на реагирующем диске — или они появляются и исчезают? Такие вопросы продолжают приводить в замешательство астрономов и астрофизиков, изучающих галактики.

Гигантские эллиптические галактики

Самые большие галактики в видимой Вселенной — это гигантские и сверхгигантские эллиптические галактики. Обладая размерами в несколько сотен тысяч световых лет и светимостью до триллиона солнц, они господствуют в галактических скоплениях — там их, как правило, и находят. На первый взгляд они кажутся довольно простыми по форме и сути. Просто взгляните на гигантские эллиптические галактики М84 и М87 в центре скопления Девы, и вы увидите округлые, ровные и желтоватые звездные системы, в которых очень мало пылевых полос или других характерных черт. Сила звездного света резко падает с увеличением радиуса, принцип этого явления вполне понятен, и его можно смоделировать в виде само- гравитирующего «газа» из звезд, которые при характерной «температуре» в изобилии собираются вокруг очень плотного центра. В каждом случае этот центр занимает сверхмассивная черная дыра. У гигантских и сверхгигантских эллиптических галактик масса этой черной дыры может варьироваться от миллионов до миллиардов масс Солнца. Так начинается наше знакомство с более странными аспектами этих на первый взгляд безобидных исполинов.

Стоит посмотреть на них чуть ближе, и мы получим еще одну подсказку к разгадке их странности. На снимках, сделанных космическим телескопом «Хаббл» и другими телескопами мирового класса, видны мощные струи газа, вырывающиеся из центров некоторых гигантских эллиптических галактик. Хороший пример — галактика-сверхгигант М87 в созвездии Девы. В оптическом диапазоне за ее потоком можно следить на расстоянии 1500 световых лет, а в радиоволновом — на невероятном протяжении, составляющем 250 000 световых лет. Разрывы в потоке указывают на вспышки активности, за которыми следуют относительно спокойные периоды. Всю эту эруптивную активность можно проследить до галактического ядра, где, как полагают, находится черная дыра, масса которой составляет 5 млрд масс Солнца.

Последний важный ключ к пониманию природы гигантских эллиптических галактик мы получили благодаря снимкам с очень длинной выдержкой, на которых можно различить едва заметные окраины этих галактик. С 1980-х годов, сначала на фотографиях с эффектом глубины, а затем — на цифровых изображениях, где этот эффект проявился еще ярче, астрономы обнаружили концентрические оболочки рассеянного звездного света. Более того, можно было увидеть, что узор оболочки на одной стороне галактики перемежался с узором оболочки на противоположной стороне. Астрофизики успешно смоделировали эти едва заметные узоры как следы траекторий галактик, захваченных и поглощенных гигантской эллиптической галактикой. Когда галактики- жертвы по спирали шли навстречу исполинскому «хищнику», они оставляли за собой остатки, похожие на оболочки, — везде, где достигали окраины своих эксцентрических эллиптических орбит. Чередование звездных оболочек согласуется с закручиванием этих несчастных галактик по спирали внутрь.

Галактики со вспышкой звездообразования

В то время как гигантские эллиптические галактики, как полагают, стали такими огромными, поглощая своих меньших «сестер», галактики со вспышкой звездообразования, по всей видимости, чаще всего возникают при взаимодействии двух галактик сходного размера. Другое важное отличие заключается в том, что по крайней мере в одной из таких галактик, вступающих во взаимодействие, должны иметься обильные запасы газа. Именно газ, некогда загнанный в плотные облака, вызывает и «вспышки ярости» у новорожденных звезд, и энергетические последствия этих вспышек, столь характерные для звездообразования. Рассмотрим галактику Сигара (М82), ближайшую к нам из тех, в чьих плотных центрах сейчас активно рождаются новые звезды. Под провоцирующим воздействием гравитации со стороны ее гораздо более крупной соседки — галактики Боде (М81) — М82 полыхает массивными скоплениями горячих голубых звезд, бесчисленными остатками сверхновых, видимых в радиодиапазоне, и огромным биполярным истечением ионизированного газа. Сейчас она формирует новые звезды в таком темпе, что поддерживать его на протяжении долгого времени она просто не сможет, и либо очень скоро она успокоится, либо у нее менее чем за несколько сотен миллионов лет закончится звездообразующий газ.

Другие галактики со вспышкой звездообразования связаны в пары теснее и находятся в процессе слияния (рис. 8.4). Астрономы полагают, что они представляют собой ценные прототипы галактик, возможно, характерные для более густонаселенной ранней Вселенной, в которой только начинали формироваться гигантские эллиптические галактики и балджи будущих гигантских спиральных галактик.

Рис. 8.4. Схема двух галактик в процессе слияния. Многие галактики со вспышкой звездообразования находятся в таких тесно взаимодействующих системах. (Материалы любезно предоставлены F. Zwicky, Physics Today, vol. 6 [1953], p. 7.)

Галактики с активными ядрами

Мы закончим эту главу описанием самых странных объектов в видимой Вселенной — галактик с активными ядрами, которые в текущую эпоху составляют примерно 1 % от всех гигантских галактик. Начиная с 1950-х годов, когда были открыты странно светящиеся источники космического радиоизлучения, астрономы начали сопоставлять их с видимыми галактиками и выявили целый «бродячий цирк» галактик с аномальной активностью. По мере того как угловое разрешение и чувствительность радиотелескопов становились все лучше, на полученных картах обнаружились огромные области биполярного истечения газа, охватившие область протяженностью в несколько сотен тысяч световых лет. Часто видимая галактика, расположенная в центре, кажется в несколько десятков раз меньше, чем эти удивительные потоки. Многие из таких галактик оказались гигантскими эллиптическими галактиками или странно искаженными слияниями ранее неповрежденных галактик.

Тем временем астрономы выяснили, что некоторые спиральные галактики, которые на первый взгляд казались совершенно обычными, содержали яркие ядра, излучавшие в основном в оптическом и инфракрасном диапазонах. Такие галактики были названы сейфертовскими — в честь Карла Сейферта, впервые описавшего их в 1943 году. В спектрах этих источников присутствовали широкие эмиссионные линии высокоионизированных атомов. Состояние высокой ионизации указывало на газовые облака, рядом с которыми находился некий невероятно горячий источник энергии. Кроме того, широкие профили спектральных эмиссионных линий указывали на экстремальное доплеровское смещение, заметное в длине волны излучения, исходящего от газовых облаков; причиной тому были их высокие скорости. Наконец, было замечено, что светимость источника излучения колеблется во временных масштабах от нескольких часов до нескольких дней.