ГАЛАКТИКИ

Галактиками называют гравитационно-связанные звездные системы, содержащие миллиарды звезд. Наше Солнце входит в одну из таких систем — Галактику. Звезды Галактики образуют плоский диск. Солнечная система находится на краю диска. Земной наблюдатель видит диск «с ребра», и огромное количество удаленных звезд сливается для него в одну светящуюся полосу, которая видна на ночном небе как Млечный Путь. Отсюда и название «галактика»: galactikos — молочный, млечный. Развитие внегалактической астрофизики началось в 20-х годах нашего столетия. В 1924 г. американский астроном Эдвин Хаббл на телескопе обсерватории Маунт Вилсон (диаметр зеркала 2,5 м) получил серию фотографий объектов, похожих на туманные пятнышки, часто со спиральной структурой. Высокое разрешение фотографий позволило Хабблу установить, что эти объекты состоят из огромного числа звезд. Впервые туманные пятнышки были разрешены на звезды в 40-х годах XIX в. англичанином Уильямом Парсонсом (третий граф Росс). Парсонс увлекался техникой и астрономией. В 1845 г. ему удалось построить рефлектор с фокусным расстоянием 16,2 м (54 фута). Парсонс направил свой телескоп на туманность М51 в созвездии Гончих Псов и понял, что она имеет спиральную структуру. Ему удалось выделить звезды на фотографиях этой и других туманностей. Парсонс твердо верил, что открытые им спиральные вихри состоят из звезд. Однако это убеждение получило бесспорное доказательство только после работ Хаббла.

В туманности Андромеды (М31) Хаббл обнаружил 12 цефеид. В начале XX в. эти переменные звезды уже были достаточно хорошо изучены. Зависимость периода пульсаций блеска от светимости цефеид использовалась X. Шепли (США) для определения расстояний до звездных скоплений, входящих в состав нашей Галактики (Млечного Пути). Этим методом определения расстояний воспользовался и Хаббл. По цефеидам он оценил расстояние до М31— 0,3 Мпк (современное значение около 0,8 Мпк, 1 Мпк = 3 x 10²⁴ см). Это означало, что туманность М31 находится далеко за пределами Галактики (диаметр Млечного Пути около 30 кпк) и является самостоятельной звездной системой. Точно так же было установлено, что большинство туманностей — это внегалактические звездные системы, т. е. галактики. Сейчас для измерения расстояний до галактик используют не только цефеиды. В качестве «стандартных свечей», по ослаблению блеска которых можно оценить расстояние, используют взрывающиеся звезды (в максимуме блеска их светимость примерно одинакова), огромные светящиеся облака ионизованного водорода.

Изучение свойств галактик имеет решающее значение для понимания эволюционных процессов в наблюдаемой Вселенной, так как именно галактики и их скопления — основные элементы ее структуры. Например, измерив, лучевые скорости у нескольких десятков галактик, Хаббл в 1929 г. обнаружил, что галактики удаляются друг от друга, и скорость удаления прямо пропорциональна расстоянию между галактиками. Это было открытием расширения Вселенной. Коэффициент пропорциональности между скоростью и расстоянием теперь называют постоянной Хаббла. Она зависит только от возраста Вселенной, и ее современное значение 50—100 км/(с х Мпк).

Наблюдения

Основные сведения о галактиках собраны в нескольких каталогах. Первый галактический каталог был создан в 1784 г. Ш. Мессье и П. Мешеном. В него вошли 108 туманностей, которые авторы назвали неподвижными, чтобы не путать с движущимися кометами. Объекты, вошедшие в каталог Мессье, обозначают буквой М с порядковым номером. Так, например, М31 обозначение туманности Андромеды. В настоящее время широко используется «Новый общий каталог» Дрейера (его первая часть была опубликована в 1888 г.), в него вошли около 13000 объектов. Галактика М31 в каталоге Дрейера обозначается NGC 224. В конце 60 гг. нашего столетия были созданы «Морфологический каталог галактик» (группа Б. А. Воронцова-Вельяминова) и «Второй библиографический каталог ярких галактик» (группа Ж. Вокулера). Эти каталоги содержат десятки тысяч объектов.

Галактики отличаются друг от друга, прежде всего своим внешним видом. В 1925 г. Хаббл предложил морфологическую классификацию галактик, которая в несколько модифицированном виде используется и поныне. Введены следующие основные классы галактик: эллиптические Е, линзообразные SO, спиральные S, спиральные с перемычкой SB, неправильные Ir (рис. 1).

Поверхностная яркость эллиптических галактик плавно уменьшается от центра к периферии по закону, описываемому уравнением эллипса.

Рис. Классификация галактик по Хабблу

Внутренней структуры на фотографиях эллиптических галактик не обнаружено, хотя у многих из них есть маленькие звездообразные ядрышки.

Только в самых близких галактиках удается выделить отдельные звезды. Поэтому обычно звездный состав галактик определяют из анализа суммарного излучения звезд. Согласно наблюдениям, эллиптические галактики содержат только желтые и красные звезды, в них практически нет газа и нет молодых звезд. Возраст звезд в этих системах не менее 5— 7 млрд. лет.

Спектральные линии Е-галактик очень широкие из-за большой дисперсии скоростей звезд (до 200 км/с). Звезды вращаются вокруг центра галактики в разных плоскостях. Видимое сжатие Е-галактик связано с тем, что все орбиты звезд устойчивы. Орбиты, плоскости которых параллельны оси вращения всей системы, неустойчивы. При небольшом гравитационном влиянии соседних звезд движение звезды по такой орбите быстро изменяется: эллипс превращается в отрезок прямой, и звезда падает на центр звездной системы. Как целое Е-галактики вращаются медленно, причем более уплощенные системы вращаются быстрее, чем сферические.

Характерные параметры Е-галактик охватывают широкий диапазон: радиусы 5—10 кпк, массы 10⁶ — 10¹³М₀, светимости 10⁶ — 10¹²L₀ (M_o = 2 • 10³³ г, L_o = 4 х 10³³ эрг/с).

Самые крупные из Е-галактик выделяют в отдельную группу cD-галактик. В этих галактиках имеется компактная звездная система, окруженная гигантской разреженной оболочкой из звезд. Размеры оболочки могут быть десятки, и даже сотни килопарсек.

Галактики cD встречаются редко. Ближайшая к нам и наиболее изученная из них — система М87. Радиус ее центральной компоненты около 8 кпк, а оболочка прослеживается на расстоянии до 60 кпк от центра. Масса М87 около 10¹²М_©. Самая большая из известных cD-систем имеет радиус оболочки около 2 Мпк — галактика А 1413.

Оказывается, что cD-системы находятся всегда в центре скоплений галактик. Галактика М87 — это центральная система в скоплении галактик в созвездии Дева.

Массовые определения различных характеристик галактик позволили установить важные эмпирические закономерности. Оказывается, что чем больше светимость Е-галактик L_B, тем больше ширина линий в ее спектре. Ширина линий пропорциональна дисперсии скоростей звезд σ_v. Связь между L_B и σ_vимеет вид L_B ~ σ⁴_v. Это соотношение называется соотношением Фабера — Джексона, его можно использовать для измерения расстояний во Вселенной. Было также установлено, что гигантские эллиптические галактики более богаты металлами, чем карликовые галактики этого типа. Такое различие связано с особенностями процесса звездообразования в массивных и маломассивных галактиках.

Некоторые из гигантских эллиптических галактик обладают мощным радиоизлучением, источниками которого являются горячий газ и звезды. Наряду с центральным источником радиоизлучения эти галактики имеют протяженные, размером иногда в сотни кпк области радиоизлучения, часто симметрично расположенные по отношению к оптическому изображению галактики. Интенсивность радиоизлучения достигает 10¹²L_©. Центральной системой скопления галактик в созвездии Персея является cD-галактика NGC 1275, о ней рассказывается в следующей статье настоящего сборника. Одной из самых интересных структурных особенностей радиогалактик являются джеты. Джеты представляют собой тонкие образования. Они начинаются в ядре галактики и тянутся на сотни кпк до границы области радиоизлучения. Радиоизлучение имеет синхротронную природу: в джетах излучают релятивистские электроны, движущиеся в магнитном поле. В оптических спектрах радиогалактик часто наблюдают эмиссионные линии ионизованного водорода. Появление джетов связано с активностью ядер эллиптических галактик. Природа этой активности пока не установлена.

В конце 70-х годов были обнаружены у Е-галактик горячие короны, которые светятся в рентгеновском диапазоне (температура около 10⁷ К). Если газ корон находится в равновесии в гравитационном поле галактики, то массы корон порядка 10¹²M₀. A, например, у галактики М87 масса короны около 10¹³М_о, ее размер около 200 кпк.

Спиральные галактики являются сплюснутыми звездными системами с центральным почти сферическим ядром, имеют две или более, часто клочковатых спиральных ветвей. В спиральных ветвях галактик сосредоточены их самые яркие и молодые звезды, светящиеся туманности (области ионизованного водорода), молодые скопления и ассоциации звезд. Именно поэтому спиральный узор отчетливо виден в очень удаленных галактиках, хотя на долю спиральных ветвей приходится не более нескольких процентов полной массы каждой галактики. Основная масса звезд S-галактик образует «сплошной» диск. В состав галактического ядра входят звезды и газ. В ядре заключена примерно сотая доля всей массы галактики. У некоторых галактик основное энерговыделение происходит в ядрах. В. А. Амбарцумян назвал это явление активностью ядер галактик.

Гигантские спиральные галактики с активными ядрами получили название сейфертовских. Их систематическое исследование начал в 1943 г. К. Сейферт (США). Он обнаружил в спектрах этих галактик очень широкие эмиссионные линии водорода, гелия, ионизованного железа. Обычно в галактиках эмиссионные линии принадлежат газу, ионизованному излучением горячих звезд спектральных классов О, В (зоны ионизованного водорода), а также самим звездам О, В. При этом ширина линий соответствует скорости звезд. Эти скорости порядка 200 км/с. Линии, которые обнаружил Сейферт, имели ширину, соответствующую нескольким тысячам км/с. Сейчас известны очень широкие линии сейфертовских галактик, соответствующие скоростям до 30 000 км/с. Интересно, что широкие линии галактик Сейферта относятся к разрешенным переходам в атомах и ионах, т. е. они образуются в плотном газе. В типичных зонах ионизованного водорода наблюдаются запрещенные линии. Это различие обусловлено разной плотностью газа. В очень разреженных облаках возбужденные состояния электронов с большим временем жизни существуют долго, пока электрон спонтанно не перейдет в более низкое энергетическое состояние и не будет излучен квант света. В плотных облаках атомы и ионы сталкиваются довольно часто, поэтому энергия электрона в возбужденном состоянии переходит при столкновениях в кинетическую энергию сталкивающихся частиц. Эта энергия не успевает высветиться в виде квантов излучения. В плотных облаках возможно излучение только в разрешенных линиях, которые соответствуют возбужденным состояниям с очень малым временем жизни, меньшим, чем время между столкновениями частиц.

Большая ширина разрешенных линий в спектрах сейфертовских галактик соответствует большой скорости движения плотных облаков. В спектрах этих галактик наблюдаются и запрещенные линии, ширина которых соответствует скоростям до 500 км/с. В запрещенных линиях светят сера, азот, кислород, неон, железо, причем встречаются линии очень высокой степени ионизации.

Ядра сейфертовских галактик являются мощными источниками излучения от радио до рентгеновского диапазонов. Полная светимость ядра значительно превосходит суммарную светимость сотен миллиардов звезд всей галактики. Например, оптическая светимость ядра NGC 1068 составляет 5 • 10⁸L_o, а инфракрасная 10¹¹L₀, звездная светимость галактики около 5 • 10¹⁰L₀.

Спектр излучения ядер определяется тепловым излучением горячей плазмы, синхротронным излучением, обратным комптон-эффектом. Основной генератор энергии в ядрах представляет собой, скорее всего, гигантскую черную дыру (масса которой около 10⁸М_©). Процессы, идущие в окрестности такой дыры, как показывают расчеты, в принципе, могут обеспечить энерговыделение ядер сейфертовских галактик.

К галактикам с активными ядрами относятся голубые галактики Б. Е. Маркаряна (более 500 объектов разных морфологических типов). В работах М. А. Аракеляна и Э. А. Дибая анализировались две модели, объясняющие аномально голубой цвет галактик Маркаряна: интенсивное звездообразование и активность ядер этих эллиптических галактик.

Спирали с перемычками имеют заметно вытянутое ядро, образующее перемычку. Вблизи концов перемычки начинаются спиральные ветви.

Спирали S и SB разделяют на подклассы а, b, с, в зависимости от относительных размеров ядра и закрученности ветвей. От подкласса а к с ядро (балдж) становится меньше, а спиральные ветви менее туго закрученными.

Спектральный анализ звездного состава спиральных галактик показал, что при переходе от Sa к Sc возрастает доля молодых горячих звезд классов А, В, О. Галактики Sc выглядят более голубыми, чем Sa-галактики. Интересно, что степень закрученности спиралей у галактик разных типов, но с одинаковой светимостью L_B одинакова. При одинаковых L_B у Sa-систем массы больше, чем у Sc-систем. Поэтому степень закрученности спиралей Sa такая же, как и у менее массивных Sc-галактик. Скорость вращения спиральных галактик растет с уменьшением степени закрученности спиральных ветвей. Галактики Sa более массивны, компактны и быстрее вращаются, чем Sc-галактики: скорости вращения у Sa порядка 300 км/с, у Sb 220 км/с, у Sc 175 км/с. Все эти особенности связаны с динамической эволюцией галактик и с деталями звездообразования. Американские астрономы Р. Б. Тулли и Дж. Фишер обнаружили, что чем ярче спиральная галактика, тем больше ее скорость вращения v, причем L_B ~ v³.

Диски спиральных галактик состоят из звезд и их скоплений, облаков пыли и газа. Доля массы газа составляет около 10%. Распределение массы и движение вещества в S-галактиках неоднородно, и его изучают, прежде всего, по кривым вращения. Большую программу определения кривых вращения по оптическим спектрам выполнила, начиная с конца 70-х годов, американский астроном В. Рубин с сотрудниками на обсерваториях Китт Пик и Серро Тололо. Для получения кривых вращения теперь используют оптические спектры излучения звезд и ионизованного газа, спектры поглощения межзвездной среды, линию водорода 21 см. Главным результатом исследований стало обнаружение плоских «хвостов» кривых вращения: скорость вращения не убывает с расстоянием, а остается постоянной вплоть до пределов обнаружения, газа.

Наблюдаемое движение газа на больших расстояниях от звездного диска галактики можно объяснить, если предположить, что он движется в гравитационном поле не только видимого диска, но и массивного темного гало, окружающего диск. Масса гало, как показывает анализ кривых вращения, примерно в десять раз больше массы звездных дисков.

Предсказание существования галактических гало было сделано еще до работ Рубин. В 1973 г. Дж. Острайкер и П. Пиблс (США) при численном моделировании динамики системы гравитирующих частиц обнаружили, что самогравитирующий вращающийся диск неустойчив. Он быстро деформируется, и упорядоченное движение частиц по круговым орбитам в плоскости диска переходит в хаотическое движение в различных плоскостях. Диск превращается в эллипсоид. Острайкер и Пиблс обнаружили, что диск будет устойчив, если большая часть всей массы системы находится в невращающейся сферической подсистеме. Такой подсистемой и может быть гало.

Прямой регистрации гало галактик пока нет. Возможно, они образованы уже угасшими звездами или маломассивными звездами низкой светимости, не способными создать достаточно высокую поверхностную яркость, которую можно было бы заметить. Подобный состав имеет, по-видимому, внутреннее гало, радиусом около 1,5 кпк. Внешнее гало, размером в десятки кпк, скорее всего, состоит из долгоживущих массивных элементарных частиц. Эти частицы — аксионы, фотино, гравитино и другие космино, взаимодействуют между собой и с видимым веществом практически лишь гравитационно и потому их трудно зарегистрировать.

Линзообразные галактики похожи на спиральные, но они не имеют спиральной структуры. У таких галактик различают ядро, диск и слабый ореол — гало. В наружных частях линзы иногда видны зачатки спиральных ветвей, перемычки и наружное светлое кольцо.

К неправильным галактикам относят те, у которых отсутствует четко выраженное ядро и вращательная симметрия. В действительности распределение звездной массы в них симметричнее, чем распределение видимой яркости, создаваемое звездами высокой светимости и областями ионизованного водорода. Это плоские системы, причем оптические и радионаблюдения указывают на их правильное, хотя и медленное вращение. Некоторые из Ir-галактик напоминают спирали с перемычкой, в которых почемуто не возникли спиральные ветви.

Массы и светимости спиральных и неправильных галактик заключены в узких диапазонах: массы без учета гало 10⁹— 10¹²М_©, светимости 10⁸— 10¹¹L₀.

Имеются разнообразные пекулярные галактики, каждая из которых имеет уникальную форму; взаимодействующие галактики, между которыми наблюдаются перемычки светлой материи.

Первый «Атлас взаимодействующих галактик» был создан в 1959 г. Б. А. Воронцовым-Вельяминовым. Затем во второй половине 60-х годов были опубликованы «Атлас пекулярных галактик» А. Арпа и многотомный каталог эруптивных галактик и их скоплений, созданный группой Ф. Цвикки.

Самыми распространенными галактиками являются эллиптические, линзовидные и спиральные галактики. Небольшая доля галактик относится к неправильным. Доля радиогалактик и галактик Сейферта не превышает одного процента. Полное число известных сейчас галактик более миллиарда.

Галактические структуры

Распределение яркости на фотографии галактики определяет ее морфологический тип. Интересно установить связь между этим непосредственно наблюдаемым распределением и динамикой галактического вещества. Например, цвет галактик от Е-систем к Ir-системам изменяется: Ir-галактики самые голубые, S-галактики уже краснее, а Е-галактики самые красные.

Цвет галактики, ее светимость и скорость вращения характеризуют галактики как целое, а морфологический тип связан с локальным распределением светящегося вещества по диску. Количественно морфологический тип галактики можно характеризовать фрактальной размерностью D распределения яркости по диску.

Фракталы, или фрактальные множества, были введены в физику американским математиком Б. Мандельбротом в 1977 г. Мандельброт назвал фракталами (от английского слова fraction — дробный, частичный) множества, для которых размерность Хаусдорфа больше топологической размерности. Топологическая размерность — это обычная геометрическая размерность. Например, топологическая размерность отрезка линии равна 1, квадрата — 2, куба — 3.

В 1919 г. немецкий математик Ф. Хаусдорф ввел особую размерность для множеств, которые составляют часть от топологического множества. Обычный отрезок состоит из бесконечного числа точек. Какая будет размерность у множества, состоящего из большого, но конечного числа точек, которые расположены на отрезке? Оказывается, что хаусдорфова размерность этого множества больше нуля (нуль — топологическая размерность точки), но меньше единицы. Множество точек еще не отрезок линии, но уже и не точка. Аналогично, хаусдорфова размерность ломаной линии, заполняющей, например, квадрат на плоскости, больше 1, но меньше 2.

Оказалось, что хаусдорфова размерность позволяет количественно сравнивать различные сложные структуры, которые наблюдают в космосе. Анализ фрактальных свойств пространственного распределения галактик в сверхскоплениях недавно выполнили в Тартуской обсерватории Я. Эйнасто с сотрудниками. Было установлено, что сверхскопление в созвездие Дева представляет собой плоскую структуру (D = 1,35). Интересно, что в пространственных масштабах, превышающих масштабы сверхскоплений (300 Мпк), хаусдорфова размерность распределения галактик близка к топологической размерности трехмерного пространства. Так должно быть, если распределение вещества в наблюдаемой Вселенной однородно в больших пространственных масштабах.

Вернемся к внутренней структуре распределения яркости по диску галактики. Фрактальные свойства этого распределения зависят от физических процессов, идущих в галактике. Поэтому фрактальная размерность D наблюдаемого распределения яркости зависит от физических свойств галактики. Например, при переходе от Е-галактик к S-галактикам фрактальная размерность уменьшается. Для каждой модели образования галактической структуры можно вычислить теоретическое значение D и сравнить с наблюдаемой фрактальной размерностью.

Спиральный узор галактик — замечательный пример упорядоченного движения среды в грандиозных масштабах. Ширина спиральных ветвей достигает тысяч парсеков. Существует спиральный узор в течение сотен миллионов лет.

Происхождение спирального узора связано с вращением галактики и развитием в галактической среде динамической неустойчивости. Угловая скорость вращения убывает с ростом расстояния от центра.
Зависимость угловой скорости от расстояния такая, какая должна быть в том случае, когда каждая частица галактического вещества свободно падает на центральные области системы.

Пусть в некоторый момент в распределении вещества имеется неоднородность, расположенная вдоль радиуса звездной системы. Поскольку внешние области вращаются медленнее, чем внутренние, со временем неоднородность закрутится в спираль. Оказывается, что аналогичную форму приобретает неоднородность любой природы. Например, если в некоторый момент из-за локального увеличения плотности возникло локальное возмущение гравитационного поля, то по диску побежит спиральная волна гравитационного потенциала. В поле этого переменного потенциала будут возникать периодические сгущения вещества, которые получили название волн плотности. То, что спиральная структура является волновым процессом, подтвердили исследования поля скоростей звезд нашей Галактики. Советские астрономы Е. Д. Павловская, Ю. Н. Мишуров и А. А. Сучков показали, что поле скоростей звезд имеет периодическую структуру спиральной формы.

Волна переменного гравитационного поля пробегает диск за время порядка десятка тысяч лет. Образованные ею сгущения постепенно размываются вращением за время порядка времени оборота звездной системы (около 100 млн. лет). Возраст галактик больше десяти миллиардов лет. Поскольку наблюдается большое число галактик с отчетливо выраженным спиральным узором, можно утверждать, что спиральная структура существует на протяжении десятков оборотов системы. Значит, эта структура должна как-то противостоять изменениям, которые связаны с неоднородным вращением. Объяснить длительное существование спиральной структуры, возможно, удастся с помощью теории волн плотности, которая была предложена в 1964 г. американскими астрофизиками Ц. Лином и Ф. Шу.

По-видимому, наблюдаемые галактические структуры образуются при взаимодействии неоднородностей среды. Одна из первых моделей была проанализирована шведским астрономом Б. Линдбладом еще в 1947 г. Линдблад рассмотрел эволюцию круговых орбит в сильно сжатом звездном диске. Оказалось, что коллективное взаимодействие звезд может привести к появлению во внешних частях системы областей с более плотным по сравнению с окружением распределением орбит звезд. Эти уплотнения имеют спиральную структуру.

Спиральная волна в звездной системе возникает следующим образом. Коллективное гравитационное поле звезд стремится сжать систему. Звезда, смещающаяся в радиальном направлении, испытывает во вращающейся системе отсчета действие силы Кориолиса. Эта сила стремится вернуть звезду на первоначальную орбиту так, чтобы не изменился орбитальный момент вращения звезды. В результате звезда движется по эллипсу, центр которого движется по орбите вокруг центра галактики. Этот эллипс, следуя терминологии древних греков, назвали эпициклом. Направление движения по эпициклу противоположно направлению движения по орбите. Период эпициклического движения зависит от того, на каком расстоянии от центра системы находится звезда. В случае, когда периоды эпициклического и орбитального движения совпадают, возникает резонанс. Траектория звезды вблизи резонанса неустойчивая. В областях этих резонансов Линдблада не могут существовать устойчивые уплотнения в распределении орбит: траектории звезд перемешиваются, и уплотнение орбит исчезает. Поэтому спиральная волна может существовать только в областях между резонансами Линдблада. Время жизни спиральной волны плотности Линдблада — около одного периода оборота галактики (несколько сотен миллионов лет).

Спиральные волны могут возникать благодаря взаимодействию неоднородностей плотности межзвездной среды. Согласно наблюдениям межзвездная среда состоит из гигантских облаков нейтрального водорода размером в несколько десятков парсеков и с массами около миллиона солнечных масс. Возникновение облаков связано с тепловой или гравитационной неустойчивостью межзвездной среды. Гравитационная неустойчивость развивается, если пространственный масштаб облака превышает масштаб тепловых движений в среде. В этом случае облако медленно сжимается под действием собственного тяготения.

Появление спирального узора благодаря взаимодействию неоднородностей плотности может происходить следующим образом. Пусть в некоторый начальный момент в межзвездной среде имеются гравитационно-неустойчивые облака. Облака двигаются в галактическом диске по сложным траекториям. Траектория каждого облака определяется гравитационным взаимодействием облака со всей системой и с другими облаками. Неоднородность гравитационного поля, которая создается любым облаком, распространяется по диску в виде спиральной волны. Суммарное гравитационное поле всех облаков называют полем коллективного взаимодействия или просто коллективным полем.

Когда существенны эффекты коллективного поля? Любые изменения поля каждого облака приводят к изменению коллективного поля, которое в свою очередь влияет на эволюцию любого облака. Если характерное время изменения коллективного поля меньше периода вращения галактики, то роль коллективного поля существенна. В этом случае все облака эволюционируют согласованно друг с другом. Расчет показывает, что коллективное поле обладает крупномасштабной структурой. Крупномасштабная структура проявляется в распределении облаков по диску, т. е. облака расположены не случайным образом, а там, где значение потенциала коллективного поля максимально. Облака двигаются с различными скоростями и постепенно должны отставать друг от друга. Но коллективное поле так перемешивает скорости облаков, что они уже двигаются без отставания. Появившуюся коллективную структуру возможно и наблюдают в спиральных галактиках.

Интересно, что тип структуры зависит от начальных свойств облаков. Например, если начальные скорости облаков отличаются от кеплеровских, то могут возникать спирали с перемычкой или даже кольцеобразные структуры.

Эволюция галактик

Детально разработанной теории возникновения и эволюции галактик пока нет. Однако основные представления об этом процессе вырисовываются все отчетливее.

Образование галактик рассматривают как естественный этап эволюции горячей Вселенной. По-видимому, более 15 млрд. лет назад в первичном веществе благодаря гравитационной неустойчивости началось обособление протоскоплений с характерными массами порядка 10¹⁶М₀. В протоскоплениях в ходе разнообразных динамических процессов происходило выделение групп протогалактик. Дальнейшая эволюция протогалактик определялась их собственным гравитационным полем и гравитацией протоскопления. Многообразие форм галактик связано с разнообразием начальных условий образования протогалактик. Например, если галактика возникла из быстро вращающейся протогалактики, то быть ей спиральной, если из медленно вращающейся — то эллиптической.

Сжатие протогалактики длится около 3 млрд. лет. За это время происходит превращение газового облака в звездную систему. Дальнейшая эволюция галактики определяется комплексом процессов: эволюция звезд, химическая эволюция, структурно-динамическая эволюция звездной системы. Звезды образуются путем гравитационного сжатия облаков газа. Когда в центре сжатого облака достигаются плотности и температуры, достаточные для эффективного протекания термоядерных реакций, рождается звезда. В недрах массивных звезд происходит термоядерный синтез химических элементов тяжелее гелия. Эти элементы попадают в первичную водородно-гелиевую среду при взрывах звезд или при спокойном истечении вещества со звезд (звездный ветер). Элементы тяжелее железа образуются при грандиозных взрывах сверхновых звезд. Таким образом, звезды первого поколения обогащают первичный газ химическими элементами, тяжелее гелия. Эти звезды наиболее старые и состоят из водорода, гелия и очень малой примеси тяжелых элементов. В звездах второго поколения примесь тяжелых элементов более заметная, так как они образуются из уже обогащенного тяжелыми элементами первичного газа.

Процесс рождения звезд идет при продолжающемся сжатии протогалактики, поэтому формирование звезд происходит все ближе к центру системы, и чем ближе к центру, тем больше должно быть в звездах тяжелых элементов. Этот вывод хорошо согласуется с данными о содержании химических элементов в звездах гало нашей Галактики и эллиптических галактик. Во вращающейся протогалактике звезды будущего гало образуются на более ранней стадии сжатия, когда вращение еще не повлияло на общую форму протогалактики. Реликтами этой эпохи в нашей Галактике являются шаровые звездные скопления. Своим положением они как бы очерчивают первоначальную почти сферическую форму молодой Галактики.

Масса газа, не вошедшая в образовавшиеся звезды, а также выброшенная в ходе эволюции этих звезд, имела некоторый орбитальный момент и под влиянием тяготения системы опускалась к плоскости симметрии, образуя диск. Здесь в самых плотных фрагментах газа зарождалось новое поколение звезд.

Около 5 млрд. лет назад прекратилось сжатие протогалактики: в это время кинетическая энергия образовавшихся звезд диска равна энергии коллективного гравитационного взаимодействия. В ту эпоху, по-видимому, создаются условия для образования спиральной структуры, а рождение звезд происходит уже в спиральных ветвях, в которых газ достаточно плотный. Это звезды третьего поколения, их возраст сейчас — от 1 до 5 млрд. лет. К ним относится наше Солнце.

Значительная часть вещества в процессе звездообразования превращается в долгоживущие звезды малой массы. Звезда с массой в одну солнечную превращается в белый карлик, а более массивная — в нейтронную звезду. Эти объекты уже не участвуют в эволюции галактик. Запасы межзвездного газа постепенно истощаются, рождение звезд становится менее интенсивным. Через несколько миллиардов лет, когда будут исчерпаны все запасы газа, спиральная галактика превратится в линзообразную, состоящую из слабых красных звезд. Эллиптические галактики уже находятся на этой стадии: весь газ в них израсходован 10—15 млрд. лет назад.

Галактики и Вселенная. Как распределены галактики в пространстве? Ответ на этот вопрос первым попытался дать Хаббл. Он выполнил подсчеты числа галактик в нескольких площадках небесной сферы и обнаружил скопления галактик размерами в несколько Мпк. Дальнейшие исследования показали, что 70 % всех галактик входят в скопления. Изучению пространственного распределения галактик посвящена программа наблюдений на крупнейшем в мире телескопе (диаметр зеркала б м) Специальной астрофизической обсерватории АН СССР (Северный Кавказ). В результате уже создан «Каталог изолированных пар галактик северного неба» (И. Д. Караченцев 1972 г.). Наблюдают цепочки из галактик, напоминающие бусы, длина которых достигает 500 кпк. Эти структуры входят в скопления. По-видимому, галактики, как и звезды, предпочитают жить семьями.

Различают правильные и неправильные скопления. Правильные обладают сферической формой и состоят из десятков тысяч галактик. Правильным является скопление галактик в созвездии Волосы Вероники, находящееся от нас на расстоянии около 100 Мпк и содержащее более 30 тыс. галактик.

Неправильные скопления состоят всего из нескольких десятков и сотен галактик. Они несимметричны и в десятки раз меньше правильных скоплений. Ближайшее к нам неправильное и довольно богатое скопление находится в созвездии Девы, расстояние до него 20 Мпк. В составе этого скопления около 200 галактик. К этому скоплению относится и Местная группа галактик, в которую входит наша Галактика. В Местной группе Галактика и Туманность Андромеды являются самыми яркими и массивными. Каждая из них имеет по богатому семейству спутников. В семейство Галактики входят 14 карликовых эллиптических галактик, несколько внегалактических шаровых скоплений звезд и неправильные галактики, среди которых крупнейшие — Магеллановы Облака. Местная группа входит в сверхскопление галактик, в центре которого находится неправильное скопление в созвездии Девы. Общее число галактик нашего Сверхскопления около 20 тыс., его диаметр порядка 60 Мпк. С ним соседствует сверхскопление в созвездии Льва, расстояние до которого около 140 Мпк.

Подсчеты числа галактик в разных направлениях на небесной сфере показали, что самые крупные пространственные неоднородности в распределении галактик носят характер цепочек или волокон. Это как бы пересечения стенок ячеек. Внутри каждой ячейки галактик мало, а в волокнах много. Размеры пустот около 100 Мпк, толщина волокон около 10 Мпк. Большие скопления галактик находятся на пересечении волокон. Отдельные фрагменты ячеистой структуры называют сверхскоплениями. Крупномасштабная структура в виде волокон и стенок ячеек не собирается в более крупные системы, а равномерно в среднем заполняет пространство наблюдаемой Вселенной.

Итак, галактики рассказывают нам о структуре наблюдаемой Вселенной и о физических свойствах вещества, которое заполняет Вселенную. Немало еще предстоит понять. Мы мало знаем о межгалактическом веществе, о природе галактических ядер, о связи между различными морфологическими типами галактик, о том, как связаны образование галактик и природа ранней Вселенной. У внегалактической астрономии очень интересные настоящее и будущее, ей предстоит решить много проблем, как в наблюдениях, так и в теории.

И. К. Розгачева. Астрономический календарь. 1990 г.