Глава 7. Эволюция галактик
Основным препятствием для решения проблемы возникновения крупномасштабной структуры, возникновения галактик, является незнание начальных условий.
По-видимому, единственной возможностью выяснить здесь истину является способ, аналогичный тому, к которому прибегли для решения проблемы первых секунд с начала расширения. Надо сделать разные предположения о начальных возмущениях, проанализировать их следствия и сравнить с наблюдениями.
И. Д. Новиков. Эволюция Вселенной
Ясной безлунной ночью каждый может видеть Млечный Путь – светящуюся туманную полосу, протянувшуюся поперек неба. Обширнейшее поле галактических объектов Млечного пути содержит миллиарды звезд. Темная полоса, проходящая посередине Млечного Пути и разделяющая звезды, состоит из межзвездной пыли, поглощающей видимый свет. А первым, кто рассмотрел ее в телескоп и обнаружил, что она состоит из множества неярких звезд, был Галилей.
В середине XVIII века астрономы предположили, что большинство наблюдаемых звезд образуют единую дискообразную структуру. И полвека спустя эта гипотеза была подтверждена Уильямом Гершелем, составившим каталог огромного числа звезд и расстояний до них. К началу прошлого века общепринятым стало мнение, что эта звездная полоса – часть единственной во Вселенной галактики, которая «приютила» миллиарды звезд, включая и наше Солнце. Сейчас предполагается, что в видимой части Вселенной находится около полусотни миллиардов галактик.
Чем глубже копает археолог, тем более древние горизонты открываются перед ним; чем дальше смотрят астрономы, тем более юную Вселенную они видят. Счастье ученых в том, что свет от далеких объектов идет к нам очень долго – миллиарды лет. Желая узнать, как рождались галактики, они должны исследовать наиболее далекие. Много лет эта работа давала обескураживающие результаты: удаляясь в прошлое на миллиарды лет, ученые не обнаруживали ничего нового в облике галактик и в прошлом видели такие же звездные системы. Но вот группа астрономов, наблюдая мощные радиоисточники, с которыми, как правило, связаны крупные галактики, обнаружила далекие системы звезд в процессе формирования.
В таких галактиках них нет газа и пыли для формирования новых звезд, а старые звезды распределены более равномерно, придавая галактикам эллипсоидальную (яйцевидную) форму.
Богатство форм звездных систем может быть объяснено разнообразием условий, в каких они рождались. По современным взглядам, на ранней стадии развития Вселенная была заполнена разреженным газом, который распался затем из-за гравитационной неустойчивости на сгущения, а сгущения в последующем – на отдельные облака различной массы. Одни из облаков имели вращательный момент и центральное сгущение, из них впоследствии образовались спиральные галактики, а другие практически не вращались, они положили начало эллиптическим галактикам, облака же без значительного центрального сгущения, но все же обладавшие вращательным моментом, дали начало неправильным галактикам типа Магеллановых Облаков.
Размеры галактик простираются от карликовых с десятками миллионов звезд до массивных – с тысячами миллиардов звезд. Сферические или эллипсоидные галактики имеют красноватый цвет, создаваемый их состарившимися обитателями.
Весьма распространены спиральные (или дисковые) галактики. Их плоские диски погружены в разряженное слабосветящееся сферическое облако слабых старых звезд и газа – гало. На диске заметен спиральный узор из двух или нескольких закрученных в одну сторону рукавов, выходящих иногда из центра галактики. Эффектные спиральные рукава выделяются за счет сверкающих, горячих, юных голубых звезд.
Но как образуются спиральные рукава? На этот счет существуют различные взгляды. В последние десятилетия особенно популярны были теории спиральных волн плотности, бегущих по звездному диску как по поверхности воды.
Бывает, что рукавов больше и форма их не столь симметрична: они делятся на отдельные ветви, сливаются друг с другом и распадаются на части, подобно связке сосисок.
А порою диск галактики напоминает кофейную пенку, в рисунке которой с трудом угадываются обрывки спиральных рукавов.
Линзовидные галактики внешне гораздо менее привлекательны и фотогеничны. Существует и множество совершенно бесформенных клочковатых галактик, получивших название неправильных. Около половины вещества в них составляет межзвездный газ.
Полная энергия, которую испускает «нормальная» галактика, представляет сумму излучений от всех ее звезд. Но есть такие галактики, которые в радио-, инфракрасной, ультрафиолетовой и рентгеновской областях электромагнитного спектра испускают энергии больше, чем следует. Такие галактики называются «активными». В чем же источник этой дополнительной энергии? Ответом на этот вопрос стало открытие черных дыр – объектов, в которых материя сжата настолько плотно, что не выпускает за свои пределы никакого излучения.
Если черная дыра с массой от миллиона до миллиарда солнечных масс находится в центре галактики с большой плотностью вещества, это вещество «засасывается» дырой. При этом гравитационные силы настолько велики, что заставляют падающее вещество излучать, превращая галактику в активную. Именно это излучение и выдает ученым присутствие черных дыр.
До сих пор детально изучены только окрестности Солнца в радиусе около 5 тысяч световых лет при общем размере Галактики около 100 тысяч световых лет. Полной карты галактического диска пока также не существует. Давняя мечта астрономов, которая, вероятно, сбудется не скоро – взглянуть на Галактику снаружи, увидеть рисунок ее спирального диска, заглянуть в ядро, изучить все интересные объекты, скрытые за темными облаками. Поскольку нет надежды получить фото нашей звездной системы от коллег из туманности Андромеды, радиоастрономам приходится самим расшифровывать радиокарты и восстанавливать рисунок спирального узора Млечного Пути.
По современным радиокартам не удается подсчитать даже количество спиральных рукавов Галактики. Совмещая различные модели с картой солнечных окрестностей, исследователи получают от двух до двенадцати рукавов. Не ясно даже, расположено ли Солнце в межрукавном пространстве или в одном из второстепенных рукавов. Проблема эта имеет прямое отношение к будущему Земли: с точки зрения биосферы условия в рукавах и между ними весьма различаются).
Камертон Хаббла
Современную классификацию галактик предложил в тридцатых годах прошлого века Эдвин Хаббл. На левом конце этой последовательности расположены эллиптические галактики – сферические звездные системы. Далее она тянется к плоским спиральным галактикам. Отдельно стоят неправильные галактики вроде двух самых заметных спутников Млечного Пути, видимых на небе Южного полушария, – Большого и Малого Магеллановых Облаков. При переходе к спиральным галактикам последовательность раздваивается, давая начало самостоятельной ветви спиральных галактик с перемычками – гигантскими звездными образованиями, пересекающими ядро галактики, от концов которых отходят спиральные ветви. По причине раздвоенности эту классификацию часто называют «камертоном Хаббла».
Расстояние от Солнца до центра Галактики служит масштабом всех прочих расстояний в нашей звездной системе и во многих случаях – за ее пределами. Для галактической астрономии эта величина так же важна, как для внегалактической астрономии и космологии важна постоянная Хаббла. И вот что удивительно: несмотря на огромные затраты сил астрономы вот уже более полувека не могут измерить величины обеих этих констант с точностью ближе 50 процентов. А не зная данной величины – метрической единицы галактической астрономии, мы теряем возможность точно определять другие параметры Галактики, например, расстояния до далеких звезд, скоплений и туманностей, скорость вращения Галактики и даже ее массу. А как, скажем, разобраться в природе галактического ядра, не зная расстояния до него? Например, существует очень серьезная гипотеза о том, что в центре ядра находится гигантская черная дыра.
Столетие назад астрономы считали нашу Галактику всей Вселенной, расстояние до центра Млечного Пути принималось «главной мировой осью» до центра мира. Затем нашу Галактику признали одной из множества подобных, но ее размеры и положение в ней Солнца продолжают интересовать астрономов. Ведь Млечный Путь – уникальная звездная система, изучаемая изнутри в трех измерениях, а не в виде плоских изображений прочих галактик и звездных скоплений.
Обычно движение звезд вокруг центра Галактики сравнивают с обращением планет вокруг Солнца, но это не совсем точная аналогия: галактическая орбита звезды значительно сложнее, чем движение планеты по простому эллипсу. Это потому, что Галактика устроена гораздо сложнее Солнечной системы. Солнце можно уподобить дрессировщику, водящему лошадь (то есть планету) по кругу на привязи: она строго подчинена его влиянию, поскольку конкурентов нет. Но, выпустив лошадь в толпу людей или лошадей, мы бы увидели совсем иную картину. Звезда, движущаяся в Галактике, испытывает влияние множества близких и далеких звезд. И если далекие действуют более или менее сообща, принуждая ее обращаться вокруг центра звездной системы, то соседи так и норовят «толкнуть»: случайные сближения с ними заметно меняют движение звезды.
