Приливное взаимодействие галактик

Уже давно астрономов заинтересовали удивительные особенности структуры галактик. На фотографиях у некоторых звездных систем, в общемто ничем не отличающихся от множества других, наблюдаются довольно протяженные, тонкие и четко выраженные «хвосты». Среди галактик с «хвостами» встречаются пары, у которых «хвосты» направлены в противоположные стороны. Между близкими галактиками иногда видны перемычки — «мосты», как бы связывающие их друг с другом. Все такие галактики получили название взаимодействующих.
К настоящему времени накоплен обширный фотографический материал, содержащий тысячи снимков галактик. Тщательный их анализ позволил выделить среди массы спиральных и эллиптических звездных систем значительное число взаимодействующих. Профессор Б. А. Воронцов-Вельяминов составил «Атлас взаимодействующих галактик».
Сразу после открытия взаимодействующих галактик были предложены гипотезы, пытавшиеся объяснить появление у них аномальных деталей. Серьезного внимания заслуживает гипотеза, которая связывает происхождение перемычек и «хвостов» у галактик с приливными эффектами — действием мощных гравитационных сил в межгалактическом пространстве. Источником таких сил могут быть соседние звездные системы или невидимые тела, например «мертвые» квазары, претерпевшие гравитационный коллапс, и галактики, звезды в которых исчерпали запасы ядерной энергии. Ни «мертвые» квазары, ни очень старые галактики нельзя наблюдать непосредственно оптически­ми либо радиоастрономическими инструментами. Существование их может быть, однако, обнаружено по возмущению структуры галактик, мимо которых прошли эти объекты.
В 1971—1972 годах в Институте прикладной математики АН СССР исследовалось воздействие больших масс вещества на развитие галактик. Процессы гравитационного взаимодействия вещества моделировались на цифровой вычислительной машине с последующим отображением обнару­женных закономерностей на экране дисплея — устройства, которое переводит цифровую информацию в зрительные образы. С экрана дисплея снимался на кинопленку фильм, демонстрирующий изменения структуры галактик под действием гравитационных возмущений.
Следует отметить, что математическое моделирование галактик — дело весьма сложное, поскольку любая галактика состоит из большого числа разнородных элементов: газа, пыли, звезд. Математическая модель галактики должна отражать характерные особенности реальных галактик и быть достаточно простой, чтобы под малосущественными деталями не скрывались основные эффекты гравитационного взаимодействия тел. При построении модели галактики учитывалось, что основная ее масса сосредоточена в ядре, а вещество периферической зоны благодаря вращению собрано в диск. Поэтому модель галактики содержала две разнород­ные компоненты: центральную сферически симметричную, в которой сосредоточена вся масса галактики, и периферическую дискообразную, включающую точкиспутники исчезающе малой массы. В исходном (невозмущенном) состоянии точки-спутники равномерно распределялись вокруг ядра, их плотность падала по мере удаления от него. Точки-спутники двигались в одном направлении по круговым орбитам. Модель возмущающего тела представляла собой более или менее компактную структуру со сферически симметричным распределением масс.

Эволюция спиральной галактики, вызванная пролетом возмущающего тела перпендикулярно плоскости начального вращения.
Проекция на плоскость невозмущенной галактики (верхний ряд) и под углом 15° к этой плоскости (следующий ряд)

Эволюция спиральной галактики, вызванная пролетом возмущающего тела над плоскостью диска.
Проекция на плоскость невозмущенной галактики (для времени 1,89 млрд. лет масштаб изображения уменьшен вдвое) и под углом 15o к этой плосквсти (нижний ряд)

Эволюция спиральной галактики, вызванная пролетом возмущающего тела в плоскости диска — против направления его вращения (для времени 1,90 млрд. лет масштаб изображения уменьшен вдвое)

Эволюция спиральной галактики, вызванная пролетом возмущающего тела большой массы в плоскости диска — по направлению его вращения (для времени 0,75 и 1,74 млрд. лет масштаб изображения уменьшен вдвое)

Эволюция спиральной галактики, вызванная пролетом возмущающего тела под углом 30° к плоскости диска (для времени 2,00 млрд. лет масштаб изображения уменьшен вдвое)
Эволюцию структуры возмущенной галактики можно было проследить по движению точекспутников, подвергавшихся гравитационному воздействию ядра галактики и возмущающего тела. Так как с самого начала рассматривалась трехмерная задача, то для нахождения траектории 1000 точек-спутников пришлось интегрировать численным методом систему дифференциальных уравнений 6000-го порядка. Более точно система 6000-го порядка распадается на 1000 систем шестого порядка. В определенные моменты времени положение точек-спутников отображалось в изометрической проекции на экране дисплея.
Безусловно, важнейший эффект, обнаруженный в процессе исследования,— образование спиральных ветвей. Но эти спирали специфичны: они сильно выражены на далекой периферии галактики и слабо в ее центральных областях. Возможно, удастся отличить  спиральные ветви, возникшие в результате приливного взаимодействия, от спиралей, свойственных самой галактике. Последние, напротив, ярко выражены в центральных областях звездных систем. Приливное взаимодействие должно приводить к формированию спиральных рукавов или подобных им волн плотности и на периферии эллиптических галактик. Интересно, что слабо выраженные спиральные рукава обнаружены на периферии эллиптической галактики NGC 205 — спутника туманности Андромеды.
Были рассмотрены различные варианты пролета массивного тела относительно диска галактики: перпендикулярно ее плоскости; над плоскостью; в плоскости — против направления вращения галактики; в плоскости — по направлению ее вращения и др. На страницах 12—13 и 14—15 представлено по шесть кадров, иллюстрирующих различные варианты пролета. В действительности каждый вариант занимает несколько тысяч кадров. На первых кадрах показано направление вращения галактики и направление движения возмущающего тела по орбите. Каждый кадр «датирован», время Т приводится в миллиардах лет. Момент Т = 0 соответствует самому тесному сближению пролетающего тела с галактическим ядром. Попытаемся по этим кадрам проследить, как сказывается на структуре галактики сближение с массивным объектом.
Кадры верхнего ряда на стр. 12—13 (1а) демонстрируют пролет возмущающего тела в проекции на плоскость невозмущенной галактики. Тело с массой, равной массе галактики, движется перпендикулярно ее плоскости с гиперболической (в данном случае удвоенной параболической) скоростью на расстоянии 40 кпс от центра галактики. Масса галактики составляет 1011 солнечных, ее радиус равен 36 кпс. Период обращения частицы по орбите радиуса 36 кпс достигает 2 млрд. лет. Естественно, все параметры задачи могут быть заменены на другие, если принятые соотношения между ними сохраняются.
Пролет массивного тела приводит, прежде всего, к образованию двух четко выраженных спиральных рукавов у галактики. Кроме того, возмущающее воздействие тела для некоторых частиц оказывается столь сильным, что одни частицы выбрасываются из сферы притяжения галактики, другие вследствие сильного торможе­ния быстро меняют направление своего движения и обрушиваются на центральные области галактики и даже на ее ядро. Траектории движения этих частиц уже не круговые, а вытянутые, эллиптические.
На кадрах второго ряда (1б) условия пролета тела такие же, но звездная система видна сбоку, под углом 15° к плоскости невозмущенного диска. Здесь тоже формируются два спиральных рукава, однако заметны и новые важные детали структуры галактики. Невозмущенная плоскость диска галактики искажается и стано­вится «пространственной».
Последующие кадры (2а и 26) соответствуют пролету тела над плоскостью галактики, причем сначала рассматривается эволюция звездной системы в проекции на плоскость ее невозмущенного диска, а затем — под углом 15° к этой плоскости. Размеры галактики, ее масса и масса возмущающего тела остались прежними, однако скорость тела и мини­мальное расстояние, на котором оно проходит от галактики, имеют другие значения. Скорость возмущающего тела примерно в 1,5 раза больше параболической, а минимальное расстояние от центра звездной системы составляет 20 кпс.
После сближения тела с галактикой у нее будет уже три спиральных рукава. Однако наиболее интересная особенность данного варианта — глубокая пространственная эволюция структуры галактики. Эта эволюция хорошо видна на кадрах четвертого эпизода кинофильма (26). Любопытно, что через некоторое время после того, как галактика сделает один оборот, в двух противоположных секторах диска происходят неравные по амплитуде отклонения частиц вверх и вниз от плоскости диска. Эти отклонения в какой-то мере похожи на отклонения, наблюдаемые в нашей Галактике и в туманности в созвездии Треугольника. Сильно возмущенные орбиты частиц могут пересекать плоскость диска как в его центральной части, так и на периферии. Звезды и газ, попадая на такие орбиты, ведут себя по-разному. Звезды, когда возмущающее тело удалится, продолжают двигаться вокруг ядра по медленно меняющимся кеплеровским орбитам. Газ на своем пути встретит поглощающую поверхность диска, и частицы не смогут пройти из верхней полуплоскости в нижнюю, и наоборот. Движение газа будет имитировать падение вещества на плоскость диска. Такое явление замечено, например, в нашей Галактике.
На верхних кадрах, воспроизведенных на стр. 14—15 (3), возмущающее тело движется в плоскости, совпадающей с плоскостью диска галактики, в направлении против его вращения. В данном случае четко выражен и достаточно устойчив лишь один спиральный рукав (второй имеет незначительные размеры и быстро распадается). Постепенно спиральный рукав принимает форму, весьма напоминающую те выступы — «хвосты», которые наблюдаются на фотографиях отдельных галактик.
Следующий эпизод фильма (4) соответствует пролету возмущающего тела в плоскости диска галактики, но уже в направлении его вращения. Характеристические параметры данной задачи существенно отличаются от параметров предыдущих вариантов. Возмущающее тело имеет массу, в 4 раза превосходящую массу галактики, мимо которой оно пролетает. Это массивное тело движется с параболической скоростью и приближается к галактике на расстояние, вдвое превышающее ее радиус (72 кпс). Оно может захватить 1/5 часть вещества галактики. Столь значительный захват вещества, несмотря на относительную дальность пролета, объясняется медленным движением и большой массой возмущающего тела. Следует, однако, отметить, что первый фактор играет здесь главную роль. При параболической (или близкой к ней) скорости движения можно подобрать такое минимальное расстояние пролета, на котором будет происходить более или менее значительный захват вещества, даже если масса возмущающего тела невелика. «Мертвый» квазар или какой-либо другой массивный компактный объект, пролетевший мимо галактики и захвативший часть ее вещества, может, таким образом, породить новую галактику. Захваченное вещество может оформиться в отдельное скопление звезд и газа, связанное с галактикой перемычкой — «мостом». Не исключено, что здесь мы имеем дело с одним из механизмов образования реальных перемычек, наблюдающихся у некоторых галактик.
Наконец, заключительный эпизод кинофильма (5) демонстрирует промежуточный вариант пролета возму­щающего тела. Плоскость его орбиты наклонена к плоскости диска галактики на 30°, перицентр орбиты удален на 30° от ее узла и находится в 72 кпс от центра галактики. Возмущающее тело движется по параболической траектории и имеет массу, равную массе галактики.
У галактики также наблюдается образование спиральных рукавов, и часть ее вещества захватывается возмущающим телом. Однако эволюция структуры галактики в данном случае имеет существенно пространственный характер. Захваченные телом частицы движутся вокруг него примерно в одной плоскости, причем эта плоскость перпендикулярна к плоскости диска невозмущенной галактики. Между галактикой и веществом, покинувшим ее, могут появляться перемычки — «мосты».
Математическое моделирование процессов гравитационного взаимодействия галактик помогло обнаружить эффекты, которые напоминают реальные структуры на фотографиях галактик. Пока нельзя утверждать, что именно эти механизмы стали причиной образования «хвостов» и перемычек между галактиками. Однако уже сейчас ясно, что гравитационное взаимодействие сильно влияет на динамику развития звездных систем. Дальнейшие исследования позволят установить истинные масштабы этого влияния и его подлинную роль в эволюции галактик.