ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ И ПРИРОДА ГАЛАКТИК

Б. А. Воронцов-Вельяминов

За последние годы выявлен ряд фактов, показывающих, что галактики по своим свойствам представляют нечто гораздо более сложное, чем простую совокупность звезд и диффузных туманностей (газовых и пылевых), управляемых единственно силами тяготения, как это до сих пор себе представляли.
В ядрах некоторых галактик, например в группе галактик, изученных Сейфертом в США, были обнаружены сильно ионизованные светящиеся газы, находящиеся в бурном движении, отчего яркие линии их в спектре необычайно широки. Скорости достигают нескольких тысяч километров в секунду. И в ядре нашей Галактики радионаблюдения обнаружили нейтральный водород, находящийся в быстром движении, хотя и с меньшими скоростями.
Автор этого очерка и Бааде (США) обнаружили, что и космическая пыль в виде волокон или облаков простирается в некоторых галактиках почти до их центра. Между тем ранее считалось, что газ и пыль находятся исключительно в области спиральных ветвей, а в эллиптических галактиках и в сходных с ними ядрах спиральных галактик диффузная материя отсутствует. В действительности она встречается и в сферических звездных системах, но в меньшем количестве. Пока представляется еще загадочным, что вызывает свечение газов в ядрах галактик, где горячих звезд (вызывающих свечение газов в спиральных ветвях), по-видимому, нет. Еще загадочнее характер и причина быстрых движений газов в ядрах галактик. Эти движения (когда они имеются) могут путем столкновений приводить газ в состояние свечения.
Несколько лет назад было обнаружено радиоизлучение галактик, обусловленное нахождением в них электронов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света (релятивистских электронов). У некоторых галактик, названных радиогалактиками, радиоизлучение оказалось аномально сильно. Подробное описание их можно найти в книге И. С. Шкловского «Радиоастрономия».
Наибольшей популярностью, особенно в США, в течение последних лет пользовалась гипотеза, объясняющая аномально мощное радиоизлучение галактик взаимодействием облаков межзвездного газа, заключенных в случайно столкнувшихся галактиках. Однако такое объяснение встречается со многими трудностями, отмеченными В. А. Амбарцумяном и автором настоящего очерка. Последний в одной из своих работ показал, что спектры радиогалактик существенно не отличаются от спектров тех одиночных галактик, в ядрах которых наблюдается быстрое движение светящихся газов. Более того, две галактики, причислявшиеся к последней группе, оказались впоследствии радиогалактиками.
С другой стороны, ни в одном случае не было непосредственно обнаружено, чтобы радиогалактика состояла из двух столкнувшихся галактик. Даже Лебедь А— наиболее мощная радиогалактика, — возможно, является одиночной, пересеченной темной полосой пыли, в результате чего возникает впечатление двух почти соприкасающихся систем. Во всяком случае, сейчас уже почти всеми признано, что по крайней мере некоторые радиогалактики являются одиночными системами, а не сталкивающимися галактиками. К тому же все радиогалактики оказались гигантскими системами, каких среди галактик тало. Между тем столкновения должны были бы происходить чаще среди многочисленных галактик с меньшими светимостями и размерами.
Не менее важным было обнаружение автором этого очерка сотен галактик, находящихся в состоянии реального взаимопроникновения и тем не менее не обладающих аномальным радиоизлучением. За последнее время и за рубежом стали выражаться сомнения в том, что радиогалактики представляют собой две столкнувшиеся галактики. Между тем некоторые сторонники гипотезы столкновения предполагают даже, что из столкнувшихся галактик одна состоит из обычной материи, а другая из «антиматерии», т. е. из вещества, в котором роль протонов играют антипротоны, а роль электронов — позитроны. Однако совершенно неправдоподобно, чтобы в пределах Метагалактики бок о бок в течение миллиардов лет существовали звездные системы, построенные из прямо противоположных элементарных частиц, тем более, что среда между галактиками не пуста, а заполнена разреженным веществом и отдельными звездами. В настоящее время уже выяснено, что Метагалактику можно понимать как совокупность «островных вселенных», т. е. галактик, несколько условно. Скорее это некоторая непрерывная среда, в которой галактики являются лишь ее уплотнениями.
До последнего времени существовало представление о том, что галактики действуют друг на друга лишь своим тяготением, определяющимся суммой масс звезд, из которых они состоят. С этой точки зрения трактовались и некоторые, давно замеченные, но лишь недавно привлекшие внимание явления в мире галактик.
Рис. 1. Галактика типа М 51: a = 17h 18m, б = + 49о 6' (1950).
Цвикки в США за последние 10—15 лет открыл галактики, соединенные друг с другом светлыми перемычками, которые иногда во много раз превышают размеры самих соединяемых галактик. Известны случаи, когда от близких друг к другу галактик в противоположные стороны тянутся длинные светлые хвосты или тонкие лучи (рис. 1). Пара эллиптических галактик под номером 750—1 по «Новому генеральному каталогу Дрейера» (сокращенно NGC), соединенных перемычкой, напоминает гимнастическую гирю. Вся эта система погружена в грушевидное светящееся облако громадных размеров (рис. 2).

Вокулер (в Австралии) обнаружил, что у Большого Магелланова Облака, являющегося неправильной галактикой, есть длинный хвост, направленный прочь от нашей Галактики, спутником которой Облако является. Подозревается существование разреженной полосы звезд между Облаком и нашей Галактикой, полосы, по-видимому, аналогичной перемычке между некоторыми двойными галактиками, И Цвикки, и Вокулер называют хвосты галактик противоприливными выступами. Цвикки считает, что при случайном сближении двух эллиптических галактик у них под действием тяготения возникают приливные и антиприливные выступы.

Рис. 2. Галактики с взаимным искажением: a = 23h 59m,2, б = +23012/ (l950).

Первые из них  при дальнейшем сближении соединяются, образуя перемычку между галактиками. При последующем удалении  галактик эти перемычки рвутся. Вследствие вращения  галактики приливной и антиприливной выступы закручиваются, и образуется спиральная галактика. Другие гипотезы образования спиральных галактик также исходят из предположения, что спиральные ветви являются  результатом вращения галактик, из которых по той или иной причине истекают газы или звездные потоки,  или же результатом разрушения галактик, имеющих  иглообразную форму. Теория последнего случая недавно была подробно разработана К. Ф. Огородниковым,  который, подобно Джинсу, рассматривал галактики как  аналогии жидких тел, но применял к ним и методы 1 статистической механики, изучающей взаимодействия многих частиц.
Однако нами было обнаружено существование нескольких галактик разного типа, имеющих одновременно ветви, закручивающиеся в противоположных направлениях. Их существование показывает, что образование спиральных ветвей не может быть простым следствием вращения, что спиральные ветви при вращении галактик не всегда являются «закручивающимися» или «волочащимся», как в последнее время считал Хаббл и большинства астрономов.
Что касается перемычек между галактиками, то Цаикки несколько неуверенно предполагал, что они состоят из горячих звезд.
Предпринятое автором этих строк с 1955 г. систематическое исследование взаимодействующих галактик, в основном по Паломарскому атласу неба, выявило много интересных фактов.
Оказалось, что перемычки, соединяющие галактики и  их хвосты, состоят из тех же объектов, из чего состоят сами галактики. В случае спиральных галактик перемычки состоят из горячих звезд и сверхгигантов .и их скоплений, а также из газа и пыли.
Перемычки между эллиптическими галактиками, по-видимому, бедны газом и практически состоят только из звезд населения II типа, как и сами эти галактики.

Всем известна красивая большая спиральная Галактика М 51 в созвездии Гончих Псов. У нее есть эллиптический, но не обычный спутник. Хольмберг и другие полагали, что спиральная ветвь этой галактики случайно проектируется на спутника, возле которого она и кончается. Однако нами было установлено, что существует немало пар галактик такого типа.

Рис. 3. Галактика NGC 2623 с "антеннами".

Это доказывает, что в таких случаях одна из спиральных ветвей в то же время является и перемычкой между галактиками. Таким образом, окончательно выясняется, что состав, природа и происхождение спиральных ветвей, перемычек и хвостов у галактик одни и те же.
М 51 —одна из ближайших к. нам спиралей, и строе­ние ее ветви-перемычки хорошо видно.
Всего нами было обнаружено уже около полутысячи взаимодействующих галактик, но их поиски еще не закончены. Взаимодействующими мы называли такие двойные или кратные галактики, у которых видно искажение форм вследствие взаимного воздействия, или же такие, которые погружены в общую атмосферу или корону, состоящую из звезд, как, например, описанная выше пара NGC 750—1. Многие из этих галактик являются и взаимопроникающими. Они частично пронизывают друг друга, и их звезды в пространстве перемешаны между собой.
Большой интерес представляют обнаруженные нами двойные перемычки: от одной галактики к другой тянутся две светлые нити. Нередко перемычки выходят из главного тела галактики, вне связи с ее спиральной структурой.
Наиболее частым проявлением взаимодействия является случай, когда у одной из галактик или у обеих удаленные друг от друга стороны обладают четкой спиральной или иной структурой и ярки. На сторонах же, обращенных друг к другу, их структура нарушена, смутна и яркость мала. Чаще всего наблюдается, что одна галактика как бы отталкивает или разрушает спираль­ную структуру другой, причем это разрушение гораздо сильнее на ближайшей стороне.
Наблюдаются загадочные случаи, когда: 1) в парах, несомненно близких друг к другу, следов взаимодействия в нашем смысле не видно, 2) взаимодействуют сравнительно далекие галактики, 3) большая и яркая галактика не вызывает у соседки искажения формы, а маленькая и слабая вызывает сильное возмущение. Спиральные ветви при взаимодействии иногда выпрямляются, иногда круто загибаются. Ясно, что эти взаимодействия не могут быть обусловлены приливными явлениями, действием тяготения. Об этом говорит я то, что, как правило, хвосты ярче и мощнее, чем перемычки, и часто существуют при отсутствии перемычек.
По своей суммарной яркости хвосты иногда превосходят главное тело галактики. Особенно, яркий пример этого представляет описанная нами пара галактик NGC 4670, которую мы называли «играющими мышками», так как они напоминают мышек с хвостами. Эта пара привлекла внимание ученых. Хвост одной из галактик, толщиной около 200 парсеков и длиной более 2000 парсеков, необычайно ярок и совершенно прямой. Понятно, что перемычки, достигающие, иногда 70 000 парсеков в длину, не могут быть вызваны приливами. Кроме того, под влиянием дисперсии скоростей звезд и других явлений они должны были бы рассеиваться и не имели бы малой и постоянной толщины по всей их длине.
Неприменимость приливной теории в таких случаях становится особенно явной, если вспомнить, что спиральные ветви не представляют собой мест с сильно повышенной плотностью вещества. Это лишь линии, вдоль которых внутри дискообразного тела галактики, внутри ее плоского слоя располагаются горячие звезды сверхгиганты, газ и пыль. Только эти ярко светящиеся объекты выделяют спиральные ветви из общей массы звезд. А между тем эти ветви йод влиянием взаимодействия ведут себя так, как вели бы себя гибкие нити, т.е. так, как не может вести себя в целом плоский или сферический слой звезд.

Рис. 4. Галактики с перемычкой: а = 20h 39m,3, д = —30 49/(1950).

Очевидно, спиральные ветви, леремычки и хвосты обладают свойствами, еще не известными нам, не исчерпываемыми гравитационными свойствами их массы. Высказывались уже идеи о том, что устойчивое существование спиральных ветвей может быть обусловлено магнитным полем. Однако это верно в отношении ионизованного газа, а не в отношении звезд, из которых в основном состоят по массе вое эти образования. В ряде перемычек и в самих взаимодействующих галактиках часто никаких признаков ионизованного газа не было обнаружено.
У эллиптических галактик тонкие перемычки редки. Чаще они погружены в общую атмосферу, состоящую из звезд. Мы обнаружили не только пары, но и тройки и даже цепочки таких галактик, расположенных в ряд и соединенных общей светящейся полосой. В отличие от цепочек звезд, где всегда может быть случайное проектирование, соединительная полоса не оставляет сомнений в том, что галактики в цепочках (всегда раннего типа) связаны друг с другом физически и реально на­ходятся во взаимном контакте.
В противоположность этому в реальных звездных цепочках расстояния между звездами в миллионы раз превышают их размеры.
Были обнаружены также «гнезда» галактик: несколько галактик, включая спиральные, находятся в контакте и погружены в общий «туман», состоящий из звезд (рис. 5).

Рис. 5. Гнездо галактик NGC 6027.

Не остается ни малейших сомнений в том, что все такие образования, как и большинство двойных галактик, не могли возникнуть путем случайных сближений чуждых друг другу галактик. Здесь, несомненно, имеет место общность происхождения.
В 1958 г. В. А. Амбардумян подробно обосновал с других точек зрения гипотезу совместного происхождения кратных и двойных галактик. Он обратил внимание на то, что кратные галактики, как правило, представляют системы типа трапеции, т. е. такие, где взаимные расстоя­ния членов различаются "мало. Он объяснил это тем, что таких неустойчивых систем наблюдается много потому, что в них периоды обращений велики и они не успели сделать столько оборотов, сколько нужно, прежде чем взаимные гравитационные возмущения приведут к их распаду. (Это впрочем, не объясняет, почему наблю­дается мало кратных галактик — типа обычных кратных звезд, которые преобладают в звездном мире.)
В. А. Амбарцумян приводит также доводы в пользу того, что во многих кратных галактиках некоторые члены имеют скорости, при которых они неизбежно вылетят из системы навсегда, что многие из них, как и скопления, распадаются. Он полагает, что существовали и существуют ядра из сверхплотного вещества, которые самопроизвольно делятся на части, разлетающиеся с огром­ными скоростями под действием неизвестной причины и, дробясь далее, образуют звездные системы в форме кратных галактик. Радиогалактики, рассматривавшиеся как системы столкнувшихся галактик, он считает галактиками, ядра которых находятся в состоянии деления. Яркий придаток у ядра сферической радиогалактики М 87, называемый «выбросом», Амбарцумян трактует как выброс сравнительно малой массы из сверхплотного ядра. Такие выброшенные сверхплотные массы за миллион лет превращаются в конгломераты, состоящие из облаков релятивистских электронов, газа и молодых неустойчивых звезд. Он и его сотрудница Шахбазян обнаружили галак­тики с близкими спутниками голубого цвета (в отличие от обычно желтых галактик), иногда соединенные перемычкой. В. А. Амбарцумян считает их молодыми галакти­ками, выброшенными из ядра галактики-родительницы. Они должны содержать либо много горячих звезд, либо должны давать синхротронное голубое непрерывное излучение (чем объясняется их голубой цвет).
В. А. Амбарцумян разделяет вывод автора очерка о невозможности образования перемычек и спиральных ветвей в результате приливных явлений и считает, что они возникают при взаимном удалении частей делящихся галактик. С последней точкой зрения можно согласиться. Но вместо взрывного деления сверхплотных ядер автору представляется более приемлемой картина независимого возникновения галактик (в контакте друг с другом) и их последующего разлета под действием взаимного отталкивания, на признаки которого мы указывали выше.
В. А. Амбарцумян полагает, что сверхплотные ядра имеют лишь несколько парсеков в диаметре и способны выбрасывать свои части в разное время и в разных направлениях, порождая, в частности, и шаровые звездные скопления.
Бербидж (США) в 1958 г. несколько иначе подошел к вопросу эволюции галактик. Он заметил, что если хотя бы 10% первоначального водорода галактики превратилось в звездах в гелий, то освобожденная энергия превысила бы по величине энергию, излучаемую сейчас ярчайшими галактиками. Отсюда он делает вывод, что избыток энергии на ранних фазах развития галактик должен идти на сообщение кинетической энергии выбрасываемым из них газам либо преобразуется в магнитную энергию и идет на образование релятивистских электронов с нетепловым излучением. Превращение ядерной энергии в дру­гие виды энергии могло происходить лишь при термоядерном взрыве, который только и может создать нужные скорости. Бербидж предполагает в будущем классифицировать галактики по запасам в них энергии разных ви­дов и по богатству их газом, идущим на формирование звезд. Однако быстрота эволюции галактики может зависеть от ее магнитных свойств, и он предостерегает от связывания схем эволюции галактик с определенными космологическими представлениями.
Таким образом, хотя и с разных позиций, ряд астрономов в 1957—1958 гг. решился высказать новые идеи о природе и эволюции галактик. Эти идеи непривычны и на первый взгляд кажутся даже фантастическими. Может быть, все они далеки еще от истины. Однако несомненно, что в свете быстро накапливающихся новых данных галактики уже нельзя рассматривать просто как системы гравитирующих тел.
Наши представления об обычном веществе в форме небесных тел и диффузной материи, о формах энергии и их взаимосвязи с элементарными частицами, бесспорно, не исчерпывают всего бесконечного многообразия форм и превращений материи.
Приходится думать, что в галактиках большие совокупности звезд, а тем более галактики в целом обладают какими-то неизвестными нам макроскопическими свойствами. В этом нет ничего невероятного. На какой-то грани, при переходе к системам другого порядка по размерам, мы постоянно встречаем новые свойства и закономерности. Так, где-то начинают сказываться молекулярные явления, еще дальше атомные процессы, затем внутриядерные силы и связи и т.д. Солнечная система практически управляется лишь тяготением, но можно утверждать заранее, что где-то преобладающая роль тяготения должна окончиться. По-видимому, в мире таких громадных звездных систем, какими являются галактики, мы уже видим признаки этих новых свойств и взаимодействий.
Быстрое развитие астрофизики и физики позволяет ожидать, что уже в ближайшее время характер этих взаимодействий начнет проясняться.

Астрономический календарь, 1959 г.

Аккреция