Галактики. Большой путеводитель по Вселенной - Джеймс Гич

это признак того, что все молодые массивные звезды, которые могли образоваться в ходе последнего процесса звездообразования, давно угасли. Осталось только огромное количество звезд меньшей массы, развитие которых проходит по стандартной траектории звездной эволюции, и по мере течения этих процессов галактика приобретает ржавый оттенок старости. Когда мы оцениваем возраст эллиптических галактик или средний возраст их звезд, то обнаруживаем, что большинство звезд сформировались на очень раннем этапе истории Вселенной, примерно 10–12 млрд лет назад. Это намек на то, что в древности Вселенная была более активным местом с точки зрения роста галактик.

А как насчет динамики таких галактик? Как их можно сопоставить с Млечным Путем? Звезды в эллиптических галактиках не распределены на диске и не движутся вокруг ядра по красивым и упорядоченным круговым орбитам. Вместо этого они деловито снуют по радиальным орбитам, как миллионы комет вокруг яркого центра. Опять же, движения звезд гравитационно определяются общей массой системы – как и в случае кривых вращения спиральных галактик, мы можем использовать наблюдательные методы для измерения этих движений и, следовательно, для определения общей массы.

Эллиптические галактики пассивны, поэтому они обычно не имеют ярких линий эмиссии в своих спектрах, которые мы можем использовать для отслеживания доплеровских изменений частоты, вызванных объемным движением. А вот что у них действительно есть, так это множество линий поглощения – маленькие участки, тусклые линии, пересекающие сплошной световой поток звезд в наблюдаемом спектре, что происходит из-за присутствия тяжелых элементов, которые поглощают энергию определенных частот. В эллиптических галактиках много металлов благодаря высокоразвитой природе звездного населения. Как и эмиссионные, линии поглощения встречаются на очень точных частотах: если бы все звезды в галактике находились в покое относительно друг друга, то в совокупности спектр галактики показал бы серию очень узких линий поглощения, соответствующих каждому из элементов, присутствующих во всех звездах. Но звезды не находятся в покое: все они движутся по случайным орбитам, движимые гравитационной мощью галактики. Таким образом, вместо нахождения в одном месте спектра линии поглощения каждой звезды немного сдвинуты по частоте относительно среднего красного смещения всей системы. При измерении спектра мы можем достаточно легко идентифицировать каждую линию поглощения (например, магния), но ширина поглощения немного увеличится, так как мы получаем его не от одной звезды.

Это расширение – результат распределения относительных скоростей звезд, вносящих свой вклад в спектр. Если мы используем спектрограф с достаточным разрешением, то сможем измерить ширину линии поглощения (по частоте) и оценить скорость дисперсии. Поскольку ширина скорости напрямую связана с общим количеством массы в системе (опять же, это ньютоновская физика), мы получаем метод взвешивания эллиптических галактик (или, по сути, любой системы, в которой преобладает дисперсия). И это удивительно. Конечно, эта методика относительно проста для применения к соседним объектам, где спектры могут быть получены с очень высоким отношением «сигнал – шум», но в случае отдаленных галактик наша работа становится намного сложнее и значительно тяжелее, чем измерение линии эмиссии, потому что в этом случае мы ищем отсутствие света в определенной части спектра, а не яркий всплеск, выделяющийся поверх него.

Наконец, существует класс галактик, который морфологически находится между эллиптическими и спиральными элементами. Их называют линзовидными галактиками, или S0, и они также имеют тенденцию к проживанию в скоплениях, хотя их можно найти и в тех областях, которые мы называем «полем» – областями средней плотности расположения галактик вне кластеров. Как и у их спиральных собратьев, у S0 имеется несколько сплюснутый звездный диск, но нет спиральных рукавов (следовательно, класс S0 – спиральная галактика + нулевые рукава). Звезды в них распределены довольно равномерно. Линзовидные галактики, как правило, пассивны – как и эллиптические – и обладают звездным балджем в центре – как и спиральные, – но он намного больше, чем у спиральных, и доминирует над галактикой. Из-за гладкости распределения звезд и однородного цвета старого звездного населения очень трудно отличить S0, ориентированную лицевой стороной к нам, от эллиптической галактики, но когда линзовидная немного наклонена так, что ее диск кажется слегка заостренным, то разница становится очевидной. Классический пример – линзовидная галактика Веретено в созвездии Дракона, которую видно почти с ребра. У этой галактики есть поразительная полоса пыли – остатки звездной эволюции в плотном диске, узкая темная полоса, простирающаяся по всей галактике и блокирующая свет от звезд, расположенных за ней.

Эдвин Хаббл придумал схему классификации для эллиптических, спиральных и линзовидных галактик, основанную на их морфологическом типе (Sa, Sb, E и т. д.), которая построена на идее, что галактики преобразуются в различные типы в эволюционной последовательности. Теперь мы знаем, что это не совсем так, как это было первоначально сформулировано. Схема маркирует спиральные галактики в соответствии с их спиральностью, эллиптические классифицирует по их эллиптической природе и размещает всю конструкцию вдоль так называемой последовательности Хаббла. Эта последовательность начинается с эллиптических фигур, близких к сферической по форме (E0), и проходит через различные уровни эллиптической формы (от E1 до E7).

Затем мы подходим к несколько сомнительному классу S0, который морфологически лежит где-то между истинной эллиптической и спиральной галактиками. После класса S0 последовательность разветвляется. Одно направление содержит спиральные галактики Sa, Sb и далее, другое – спиральные галактики с перемычкой SBa, SBb и т. д. Такое разветвление – причина, почему последовательность также называют камертоном, или вилкой, Хаббла. Он не отражает физической связи между этими типами, но тем не менее признан удобным средством классификации различных типов галактик и продолжает использоваться и сегодня. Если один астроном представляет какую-то галактику и говорит:

«Вот галактика Sab, которая очень интересна по таким-то причинам», остальные понимают, о каком типе идет речь. Вы заметите, что карликовые галактики не вписываются в эту схему, хотя иногда их привязывают к концу спиральной последовательности как иррегулярные, объединяя две ветви камертона. Последовательность Хаббла в основном содержит все типы развитых массивных галактик, но не описывает морфологически измененные галактики, как те, что мы обнаруживаем, например, во взаимодействующих и сливающихся системах, где гравитационные силы искажают правильную структуру. Как мы узнаем позже, взаимодействующие системы очень важны для понимания истории эволюции некоторых галактик.

Сердца галактик

Балдж галактики (в нашем случае – центр диска) самая плотная галактическая среда. Балдж Млечного Пути настолько переполнен звездами и пылью, что мы не сможем увидеть его центр, если попытаемся рассмотреть его с помощью оптического света. Только инфракрасные лучи могут «пройти» часть затемняющей пыли, потому что такой свет меньше поглощается.

Ориентация галактик на небе случайна (хотя некоторые гравитационные эффекты могут служить для корреляции ориентации