Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса - Уоллер Уильям

Но как у этих галактик развилась спиральная структура? И как им удалось сохранить свой привлекательный облик на протяжении космологического времени? Сперва астрономы обратили внимание на диски этих галактик, где находятся спиральные рукава. Оказалось, что звезды и газ находятся в сдвиговом движении, так что вещество во внутреннем диске спиральной галактики вращается быстрее, чем вещество на ее внешнем диске. Степень сдвига составляет примерно 10 км/с на каждые 1000 световых лет галактического радиуса — это оказывает небольшой, но значительный эффект по сравнению с характерными скоростями вращения, составляющими 100–300 км/с. При таком сдвиге на диске сами собой образуются спиральные узоры. Просто представьте себе большое облако звездообразующего газа. И облако, и звезды, недавно рожденные в нем, сместятся в спиральный фрагмент, при этом внешние звезды будут отставать от внутренних. Соберите вместе несколько таких «звездных колыбелей», и в диске появится спиралевидный узор (рис. 8.3).

Возможно, подобный характер возникновения спиральных структур, в основу которого положен сдвиг звездообразующих облаков, объяснит «потрепанность» некоторых спиральных галактик — таких, как галактика Треугольника (М33) в одноименном созвездии и галактика Подсолнух (М63) в созвездии Гончих Псов, спиральные рукава у которых короткие и словно раздроблены на мелкие осколки. Однако он не в силах объяснить «великий замысел» таких спиральных галактик, как Водоворот (М51) в том же созвездии Гончих Псов или Вертушка (М101) в созвездии Большой Медведицы, у которых спиральные рукава обширны и в то же время четко очерчены. Кроме того, он не может объяснить и того, почему в некоторых спиральных галактиках с баром, таких как М94 в созвездии Гончих Псов и М95 в созвездии Льва, присутствуют поразительные кольца, активно рождающие новые звезды. В данном случае астрономы допускают существование некой динамической силы, которая согласуется с резонансным поведением, сохранившимся в Солнечной системе до наших дней, и проявляется, например, в том, как ведут себя кольца Сатурна.

Рис. 8.3. Сравнение фрагментарной спиральной структуры, которая появляется в результате сдвига звездообразующих газовых облаков (слева), и более непрерывной спиральной структуры, которая, как объясняет теория волн плотности, возникает в тот момент, когда облака газа проходят через гребень спиральной волны плотности, занявшей прочное положение в диске (справа). (По источнику: Galaxies and the Cosmic Frontier, W. H. Waller and P. W. Hodge.)

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.