Реферат: Звездные системы и метагалактика
--PAGE_BREAK--3.2. Спиральные галактикиСпиральные галактики это может быть самые живописные объекты во Вселенной и, в отличие от эллиптических галактик, являют собой пример динамичности формы. Их красивые ветви, выходящие из центрального ядра и как бы теряющие очертания за пределами галактики, указывают на мощное, стремительное движение.
Идеальные спиральные галактики имеют две спиральные ветви (рукава), исходящие либо прямо из ядра, либо из двух концов бара (перемычки), в центре которого расположено ядро. Этот признак позволил разделить спиральные галактики на два основных подтипа: нормальные спиральные галактики (S) и пересеченные спиральные галактики (SB). Нормальных спиральных галактик во много раз больше, чем пересеченных.
Дальнейшее разделение спиральных галактик на подтипы проводится по следующим трем критериям:
1) относительной величине ядра по сравнению с размерами всей галактики (Sa, SBa);
2) по тому, насколько сильно или слабо закручены спиральные ветви (Sb, SBb);
3) фрагментарности спиральных ветвей (Sc, SBc).
<img width=«882» height=«521» src=«ref-1_748837767-10628.coolpic» v:shapes="_x0000_s1026 _x0000_s1034 _x0000_s1032 _x0000_s1033 _x0000_s1045 _x0000_s1046 _x0000_s1044 _x0000_s1058 _x0000_s1057 _x0000_s1056 _x0000_s1055 _x0000_s1054 _x0000_s1053 _x0000_s1042 _x0000_s1043 _x0000_s1031 _x0000_s1027 _x0000_s1030 _x0000_s1029 _x0000_s1028 _x0000_s1037 _x0000_s1036 _x0000_s1052 _x0000_s1051 _x0000_s1050 _x0000_s1049 _x0000_s1048 _x0000_s1047 _x0000_s1041 _x0000_s1040 _x0000_s1039 _x0000_s1038 _x0000_s1035">
Рис. 1. Классификация галактик по Хабблу
Спиральные галактики типа Sa— галактики, у которых ветви развиты слабо, в некоторых случаях только намечаются. Ядра у этих галактик всегда большие, обычно составляют около половины наблюдаемого размера самой галактики. Как правило, у галактик типа Saдве спиральные ветви, берущие начало в противоположных точках ядра, развивающиеся сходным, симметричным образом и теряющиеся в противоположных областях периферии галактики.
Спиральные галактики типа Sb– галактики, имеющие относительно небольшие ядерные области, и с заметно развитыми спиральными ветвями. Ярким примером галактик этого типа является галактики известная как Туманность Андромеды (NGC224).
Галактики типа Sc характеризуются сильно фрагментированными обрывочными спиральными ветвями.
У пересеченных спиральных галактик (или спиральных галактик с перемычкой) ядро находится в середине прямой перемычки, и спиральные ветви начинаются лишь у концов этой перемычки. Эти галактики также делятся на описанные выше типы и обозначаются соответственно Sba, SBb и SBc. Присутствие буквы "B" в обозначении галактики указывает на наличие у нее перемычки (от английского слова bar– перемычка).
Ядро спиральных галактик представляет собой яркую область, обладающую многими признаками эллиптической галактики. Закон падения яркости, открытый Хабблом для эллиптических галактик, оказался справедливым и для центральных ядерных областей спиральных галактик, и поэтому эти области иногда называют «эллиптическим компонентом».
У всех спиральных галактик, наблюдаемых с ребра, видна темная полоса, как бы разделяющая галактику на две части. Эти темные полосы показывают на наличие у спиральных галактик темной пылевой материи, сосредоточенной около плоскости симметрии галактик.
Если вычислить по формуле (1) коэффициент сжатия у наблюдаемых с ребра спиральных галактик, то он всегда больше сети. Для спиральных галактик типа Saполучается величина близкая к 8, для галактик типа Sb– от 8,5 до 9, для Sc– больше 9.
Спиральные галактики, наблюдаемые с ребра, имеют вид сильно сжатого эллипса с утолщением – ядром в центре и полосой темной материи, тянущейся вдоль ребра. Однако в некоторых областях пространство встречаются галактики сильно сжатые и имеющие ядро, как спиральные галактики, но лишенные спиральной структуры и поэтому при наблюдении в плане похожие на эллиптические галактики и не имеющие темной полосы вдоль ребра. Эти галактики получили обозначение S0 и называются чечевицеобразными.
3.3. Неправильные галактики
Рассмотренные выше типы галактик характеризовались симметричностью формы и определенным характером рисунка. Но встречается большое число галактик неправильной формы, без какой-либо общей закономерности структурного строения. Это так называемые неправильные галактики, обозначаемые Irr.
Неправильная форма у галактики может быть вследствие того, что она не успела принять правильной формы из-за малой плотности в ней материи или из-за молодого возраста, а также возможно искажение формы галактики вызвано вследствие ее взаимодействия с другой галактикой.
Астрономы предполагают, что во Вселенной встречаются оба описанных случая и в связи с этим разделяют неправильные галактики на два типа: тип IrrIи тип IrrII.
Тип
Irr
Iхарактеризуется сравнительно высокой поверхностной яркостью и сложностью неправильной структуры. Французский астроном Вокулер в некоторых галактиках этого типа, например в Магелановых Облаках, обнаружил признаки разрушенной спиральной структуры. Кроме того, Вокулер заметил, что галактики типа IrrIчасто встречаются парами. Поэтому ученый пришел к выводу, что эти галактики в прошлом были правильными, некоторые, в частности, спиральными. Однако в результате взаимодействия с другой, находящейся или находившейся близко галактикой, форма галактики исказилась, а если имелась спиральная структура, то она в значительной степени разрушилась.
Неправильные галактики типа Irr
IIотличаются очень низкой поверхностной яркостью. Эта черта выделяет их среди галактик всех других типов. Низкая поверхностная яркость галактики при обычных линейных размерах означает, что в ней очень мала плотность материи.
3.4. Почему галактики разные
Как только галактики были открыты, астрономы пытались установить, под действием каких процессов галактики принимают ту или иную форму. В некоторых из ранних теорий предполагалось, что разные типы галактик представляют собой эволюционную последовательность. Согласно одной из таких гипотез, галактики начинают свой эволюционный путь как эллиптические, потом у них развивается спиральная структура и, наконец, эта структура распадается и объект превращается в хаотическую неправильную галактику. Другие астрономы предполагали противоположное направление эволюции: галактики возникают как неправильные, закручиваясь, превращаются в спиральные и завершают свою эволюцию в простой и симметричной эллиптической форме. В основе обеих теорий была гипотеза о том, что тип галактики связан с ее возрастом. Обе гипотезы были опровергнуты. Оказалось, что галактики всех типов имеют примерно одинаковый возраст. Почти в каждой галактике присутствует хотя бы несколько звезд с возрастом в несколько миллиардов лет. Отсюда следует, что ни эллиптические, ни неправильные галактики не могут быть старше остальных.
Однако эллиптические галактики состоят почти исключительно из старых звезд, в то время как галактики других хаббловских типов содержат относительно больше молодых звезд. По-видимому, форма галактики связана со скоростью образования в ней новых молодых звезд уже после ее рождения, а, следовательно, и с распределением звезд по возрастам. В эллиптических галактиках очень мало звезд возникло после стадии образования галактики, и поэтому мы наблюдаем здесь ничтожное количество молодых звезд. В галактиках типа Sa звезды продолжают образовываться до сих пор, но скорость этого процесса невелика, в галактиках типа Sb темп звездообразования выше, галактики типа Sc очень активны, а наиболее бурно звездообразование протекает в галактиках типа Irr I.
Эти результаты навели исследователей на мысль о том, что последовательность хаббловских типов упорядочивает галактики по степени сохранения ими газа и пыли: неправильные галактики сберегли большую часть своего газа и своей пыли для постепенного рождения все новых и новых звезд, в то время как эллиптические галактики израсходовали почти весь свой исходный газ на первую взрывную вспышку звездообразования.
4.
Размеры и расстояния галактик
Космос населяют миллиарды галактик и им совсем не тесно. Вселенная достаточно огромна, чтобы галактики могли удобно в ней разместиться, и при этом еще остается много свободного пространства. Когда речь идет о галактиках, то обычно используют две единицы длины — световой год и парсек. Световой год равен расстоянию, которое свет проходит за год (около 10 миллионов миллионов километров). Парсек — это необычная единица длины, определяемая через видимое перемещение (параллакс) объекта на фоне неба, вызванное движением Земли по орбите вокруг Солнца. В одном парсеке 3,26 световых года, 1000 парсеков (пс) составляют 1 килопарсек (кпс), а 1000000 парсеков — 1 мегапарсек (Мпс).
Типичное расстояние между яркими галактиками составляет около 5-10 миллионов световых лет; оставшийся объем занимают карликовые галактики. Галактики довольно редко разбросаны во Вселенной и состоят, в основном, из пустого пространства. Даже если учесть разреженный газ, заполняющий пространство между звездами, то все равно средняя плотность вещества оказывается чрезвычайно малой. Мир галактик огромен и почти пуст.
Среди галактик, как и среди звезд, можно встретить галактики-карлики, галактики средней светимости, галактики-гиганты и галактики-сверхгиганты. Наша Галактика, а также Туманность Андромеды (NGC224), которую можно наблюдать на небе невооруженным глазом, относятся к сверхгигантским галактикам. Такие выдающиеся по светимости, размерам и числу звезд галактики попадаются не более одной на тысячу галактик.
В таблице 1 приведены данные о десяти ярчайших галактиках неба.
В списке ярчайших галактик фигурируют сверхгигантские галактики NGC4594 и NGC253, их светимость даже больше светимости Туманности Андромеды. Но это уже сравнительно удаленные звездные системы. Еще более выдающимися сверхгигантами, чемпионами по светимости, являются две галактики, NGC4874 и NGC4889, находящиеся в центре скопления галактик в созвездии Волос Вероники. Их абсолютная звездная величина равна -22m. Следовательно, каждая из них светит как сеть галактик, подобных нашей. Сверхгигантскими принято считать такие галактики, абсолютные звездные величины (М) которых меньше чем -19m,0, а к числу гигантских относят галактики с –19m,0<M<–17m,0. Все ярчайшие галактики, кроме Малого Магеланова Облака, относятся к сверхгигантским или гиганстким галактикам. Галактики средних светимостей и галактики-калики в числе ярчайших, несмотря на их близость, не попадают. Галактики средних светимостей имеют –17m,0<M<–15m,0, а у карликов абсолютная звездная величина больше –15m,0. Очень многочисленны карликовые галактики с М=–14m,0 и –13m,0.
Таблица1 Десять ярчайших галактик
Название или
№ по NGC
Видимая
звездная величина
Тип
Расстояние
(кпс)
Абсолютная звездная величина
Угловые размеры в минутах дуги
Большое Магеланово Облако
1m,2
Irr II
46
–17m,4
780
Малое Магелоново Облако
2m,8
Irr II
46
–16m,0
180
Туманность Андромеды
4m,3
Sb
460
–19m,8
197x92
598
6m,0
Sc
480
–17m,6
83x53
253
7m,6
Sc
4200
–21m,4
30x5
55
7m,8
Sc
1900
–19m,1
24x6
5236
8m,0
Sc
1800
–19m,1
10x8
3031
8m,1
Sb
1540
–18m,7
16x10
4594
8m,6
Sb
5000
–20m,7
7x1,5
5457
8m,6
Sb
1800
–18m,5
22x22
В 20-х годах нашего столетия Э.Хаббл приступил к разработке программы построения шкалы расстояний, простирающейся до края наблюдаемой Вселенной (рис. 2).
Первой задачей Хаббла было определение расстояний до членов Местной группы галактик, в которую входят наша Галактика и ее ближайшие соседи. Особое внимание он уделил галактикам М 31, М 33 и NGC6822, где им были открыты цефеиды (звезды с переменной яркостью). Результаты Хаббла для этих трех галактик образовали базу и первую ступень трехступенчатой хаббловской шкалы расстояний во Вселенной. Расстояния до галактик Местной группы до сих пор остаются фундаментом большинства шкал расстояний.
Далее план Хаббла состоял в использовании близких галактик и их расстояний для калибровки светимостей более ярких объектов с тем, чтобы измерять расстояния до более далеких областей пространства. Испробовав объекты разных типов, включая красные гиганты, звездные скопления и др. Хаббл обнаружил, что максимальные светимости ярчайших звезд во всех галактиках довольно одинаковы и мало меняются
--PAGE_BREAK--5. Состав и структура галактик
В состав галактик, кроме основной составляющей – звезд, входят также межзвездный газ и межзвездная пыль.
Ранее ученые полагали, что пространство, в котором находятся звезды, есть абсолютная пустота. Лишь отдельные астрономы время от времени поднимали вопрос о возможном поглощении света в межзвездной среде. И только в самом начале XX столетия немецкий астроном Гартман убедительно доказал, что пространство между звездами представляет собой отнюдь не мифическую пустоту. Оно заполнено газом, правда, с очень малой, но вполне определенной плотностью. Это выдающиеся открытие, так же как и многие другие, было сделано с помощью спектрального анализа.
Почти половину столетия межзвездный газ исследовался главным образом путем анализа образующихся в нем линий поглощения. Выяснилось, например, что довольно часто эти линии имеют сложную структуру, то есть состоят из нескольких близко расположенных друг к другу компонент. Каждая такая компонента возникает при поглощении света звезды в каком-нибудь определенном облаке межзвездной среды, причем облака движутся друг относительно друга со скоростью, близкой к 10 км/сек.
Химический состав межзвездного газа в первом приближении оказался довольно близким к химическому составу звезд. Преобладающими элементами являются водород и гелий, между тем как остальные элементы мы можем рассматривать как «примеси».
Межзвездный газ в галактиках обычно составляет несколько процентов от полной массы звезд. Больше всего газа встречается в неправильных галактиках (иногда до 50%) и меньше всего в эллиптических галактиках.
Межзвездная пыль лучше всего заметна в галактиках, диск которых виден нам с «ребра». Как уже отмечалось в главе 3, межзвездная пыль, находящаяся в плоскости диска, поглощает свет звезд, и галактика из-за этого кажется пересеченной темной полосой. Межзвездной пыль — это твердые микроскопические частицы вещества размером меньше микрона. Эти пылинки имеют сложный химический состав. Установлено, что пылинки имеют довольно вытянутую форму и в какой-то степени «ориентируются», то есть направления их вытянутости имеют тенденцию «выстраиваться» в данном облаке более или менее параллельно. По этой причине проходящий через тонкую среду звездный свет становится частично поляризованным.
Если по своему составу галактики сходны, то структура наблюдаемых галактик различна.
Проще всего выглядят эллиптические галактики: они ровные, однородные по цвету и симметричные. Их почти совершенное строение наводит на мысль об их существенной простоте, и действительно, параметры эллиптических галактик оказалось легче измерить и подыскать под них теоретические модели, чем сделать это для более сложных родственников этих объектов.
Рассмотрим, например, строение типичной эллиптической галактики NGC 1399. В ее центре находится яркое ядро, окруженное размытым сиянием, яркость которого падает по мере удаления от центра. Как и у всех эллиптических галактик, падение яркости описывается простой математической формулой. Форма контура галактики тоже остается почти одинаковой на всех уровнях яркости. Все изофоты представляют собой почти идеальные эллипсы, центрированные в точности на ядро галактики. Направления больших осей и отношения большой оси к малой почти одинаковы у всех эллипсов.
Фундаментальная простота эллиптических галактик согласуется с предположением о том, что они управляются небольшим числом сил. Орбиты звезд гладкие и хорошо перемешаны и ничто, кроме гравитации, не влияет на их расположение, и никакое непрерывное звездообразование не разрушило их правильности.
В отличие от эллиптических галактик для спиральных характерно наличие диска и балджа (утолщения). Спиральные рукава уступают диску и балджу по количеству содержащихся в них звезд, хотя и являются важными и выдающимися частями галактики. Диск спиральной галактики довольно плоский. Видимые с ребра галактики говорят о том, что толщина типичного диска составляет около 1/10 его диаметра.
С помощью методов моделирования на ЭВМ было доказано, что спиральные галактики представляют собой быстро вращающиеся звездные системы. Причиной образования балдж, которые обладают большинством структурных свойств эллиптических галактик, является то, что звезды начинают образовываться сначала в центральных областях галактик, где плотность самая высокая.
Спиральная структура спиральных галактик возникает из-за того, что внутренняя часть галактики вращается со скоростью, отличной от скорости внешней части и рукава постепенно закручиваются в спиральный узор. Для галактик с возрастом, характерным для окружающих нас галактик, число оборотов узора должно быть очень большим — примерно равным возрасту, деленному на средний период вращения — около 100. Однако у реальных спиральных галактик — по крайней мере у тех, что имеют четкие непрерывные спиральные ветви, наблюдаемая закрутка спирального узора составляет лишь на один-два оборота. Встает вопрос: как это объяснить? Проблема до настоящего времени не разрешена. Ученые отдают предпочтение магнитной, волновой и взрывной гипотезам, учитывающим астрофизическую сторону проблемы.
У многих спиральных галактик есть еще одна замечательная структурная особенность — концентрация звезд в форме бруска (бара), пересекающая ядро и простирающаяся симметричным образом в обе стороны. Данные измерений скоростей в них показывают, что бары вращаются вокруг ядра как твердые тела, хотя, разумеется, они на самом деле состоят из отдельных звезд и газа. Бары, встречающиеся в галактиках типа S0 или Sa, более ровные и состоят исключительно из звезд, в то время как бары в галактиках типов Sb, Sc и Irr часто содержат много газа и пыли. Все еще идут споры о движениях газа в этих барах. Некоторые данные свидетельствуют о том, что газ течет наружу вдоль бара, а по другим данным, он течет внутрь. В любом случае, существование баров не удивляет астрономов, изучающих динамику галактик. Численные модели показывают, что неустойчивости в диске вращающейся галактики могут проявляться в форме бара, напоминающего наблюдаемые.
6. Образование и эволюция галактик
Одна из задач современной астрономии — понять, как образовались галактики и как они эволюционируют. Во времена Э.Хаббла и Х.Шепли было заманчиво верить в то, что типы галактик соответствуют разным стадиям их развития. Однако эта гипотеза оказалась неверной, и задача реконструкции историй жизни, галактик оказалась трудной. Самой же трудной оказалась проблема первоначального возникновения галактик.
Большинство принятых в настоящее время космологических моделей предполагает общее расширение, начиная с нулевого момента времени, который называют“большим взрывом” или английским термином Big Bang (сразу же после которого Вселенная имеет исключительно высокие плотность и температуру). Физические процессы, описывающие первичный взрыв в этих моделях, могут быть довольно надежно прослежены до момента, когда плотность и температура становятся достаточно низкими, чтобы стало возможным образование галактик. Примерно 1 миллион лет потребовался для того, чтобы Вселенная расширилась и остыла настолько, что вещество стало играть в ней важную роль. До этого преобладало излучение, и сгустки вещества, такие как звезды или галактики, не могли образовываться. Однако, когда температура стала равной примерно 3000 К, а плотность — около 10-21 г/см3 вещество, наконец, смогло формироваться.
Большинство попыток найти способы конденсации вещества Вселенной в галактики основаны на гипотезе, впервые подробно разработанной сэром Джеймсом Джинсом. Хотя сейчас принимается, что в ранней Вселенной газ расширялся в соответствии с релятивистской космологической моделью, идеи Джинса основывались на более простой ньютоновской модели Вселенной, где гравитационная неустойчивость возникает, когда сгусток более плотного вещества (называемый возмущением) становится достаточно малым и плотным. Характерный размер возмущений плотности, которые являются только слегка неустойчивыми, называется джинсовской длиной и, как было установлено, она зависит от скорости звука в среде, постоянной тяготения и плотности вещества.
Джинсовская масса определяется как масса вещества, которая может стать неустойчивой и начать сжиматься под действием собственного гравитационного поля (рис. 4). Согласно расчетам, в начале «эры вещества» джинсовская масса составляет около 105 солнечных масс, и, таким образом, в этот момент истории Вселенной возмущения с такими массами и больше (что включает все известные галактики) должны были стать неустойчивыми и сжаться. Простая модель Джинса не позволяет исследовать ситуацию во время «эры излучения», так как в этом простом анализе не учитывается влияние давления излучения на газ.
<img width=«462» height=«306» src=«ref-1_748858084-7095.coolpic» v:shapes="_x0000_s1059 _x0000_s1070 _x0000_s1069 _x0000_s1068 _x0000_s1062 _x0000_s1067 _x0000_s1066 _x0000_s1065 _x0000_s1064 _x0000_s1063 _x0000_s1060 _x0000_s1061">
Рис. 4. Джинсовская масса
В поисках типа иррегулярности или неустойчивости, которая приводит к современной Вселенной, состоящей из галактик, астрономы исследовали много других видов неустойчивости, кроме гравитационных. Среди них — возможное отсутствие баланса вещества и антивещества, тепловые неустойчивости, флуктуации, связанные с ионизацией и ее зависимостью от температуры и вариации распределения заряда.
Наиболее вероятная гипотеза утверждает, что вначале количество вещества немного превосходило количество антивещества. Тогда большая часть вещества должна была проаннигилировать с антивеществом на ранних космических фазах при высокой плотности, оставив купающуюся в лучах света Вселенную с количеством вещества, как раз достаточным для образования галактик.
Другой механизм, который мог способствовать конденсации вещества — это тепловая неустойчивость. Области с немного повышенной плотностью остывают быстрее, чем их окружение. Более горячие окружающие регионы сильнее сжимают эти области, повышая их плотность. Таким образом, небольшое возмущение плотности может становиться все более неустойчивым (рис.5).
<img width=«390» height=«306» src=«ref-1_748865179-6667.coolpic» v:shapes="_x0000_s1071 _x0000_s1073 _x0000_s1078 _x0000_s1072 _x0000_s1076 _x0000_s1075 _x0000_s1074 _x0000_s1077 _x0000_s1080 _x0000_s1081 _x0000_s1079">
Рис. 5. Флуктуации температуры
Согласно еще одной гипотезе, предложенной Георгием Гамовым, гравитационные силы могут усиливаться «симулированной гравитацией», создаваемой в ранней истории Вселенной интенсивным полем излучения. Частицы в такой Вселенной, как правило, испытывают действие силы, направленной от каждой частицы к другой частице. Эта сила, с которой частицы подвергаются действию друг друга подобно силе тяготения. Эффект взаимного притяжения двух частиц имеет значение лишь на протяжении примерно первых 100 лет существования Вселенной, после чего интенсивность излучения и степень близости частиц уменьшается.
После достижения индивидуальными протогалактиками гравитационной выделенности через какую-либо форму неустойчивости, они коллапсируют с образованием галактик значительно меньших размеров и с большими плотностями, оставляя промежуточное пространство почти пустым. Реальный процесс сжатия можно исследовать лишь при помощи теоретического моделирования. Для этого выбираются правдоподобные начальные условия и производят необходимые вычисления, чтобы посмотреть, можно ли прийти к реалистичной картине в результате сжатия исходной протогалактики. Начальные условия, с которых мы должны начинать эти вычисления, включают массу галактики, ее угловой момент, размеры, температуру, химические характеристики, магнитное поле и внутренние турбулентные движения.
Рассмотрим простейшее начальное состояние, в котором свойства протогалактики таковы, что она является холодной, полностью однородной по плотности, совершенно сферической и без турбулентных движений, магнитного поля и внешних воздействий. Для объекта, сравнимого по массе с Млечным Путем, порядка 1011 масс Солнца, такой набор начальных условий приводит к совершенно не остановимому коллапсу. Гравитационный потенциал такого объекта достаточно велик, чтобы никакой физический процесс не мог остановить его коллапс в массивную черную дыру, и вычисления показывают, что за короткое, по космическим масштабам, время такой объект перейдя через предел Шварцшильда исчезнет (рис. 6).
<img width=«146» height=«206» src=«ref-1_748871846-540.coolpic» v:shapes="_x0000_s1082"><img width=«122» height=«206» src=«ref-1_748872386-487.coolpic» v:shapes="_x0000_s1083"><img width=«122» height=«206» src=«ref-1_748872386-487.coolpic» v:shapes="_x0000_s1084">
<img width=«110» height=«62» src=«ref-1_748873360-1648.coolpic» v:shapes="_x0000_s1085"> <img width=«62» height=«39» src=«ref-1_748875008-1128.coolpic» v:shapes="_x0000_s1087 _x0000_s1086 _x0000_s1089"> <img width=«14» height=«14» src=«ref-1_748876136-307.coolpic» v:shapes="_x0000_s1088">
Невращающееся сжимаясь, превращается
протогалактическое в черную
облако, дыру
рис. 6. Судьба невращающейся протогалактики
Более разумный набор начальных условий следующий: в ходе одного из рассмотренных выше процессов газовое облако уже сжалось до такой степени, что оно стало устойчивым, несмотря на расширение окружающей Вселенной; пусть это будет плотность около 10-28 г/см. Если принять массу равной 1011 солнечных масс, то указанная плотность дает для сферического облака начальный радиус около 200 кпк. Для того чтобы сжатие было возможным, кинетическая, магнитная и гравитационная энергии должны быть соответствующим образом сбалансированы. Другие начальные условия, необходимые для начала сжатия, следующие: скорость вращения должна быть мала — менее 40 км/с, температура — меньше 2*105 К и напряженность магнитного поля должна быть разумно мала — меньше 2*10-7 гаусс.
Если распределение плотности облака остается однородным в ходе сжатия, то гравитационная энергия возрастает обратно пропорционально уменьшающемуся радиусу. В некоторый момент радиус становится достаточно малым, чтобы энергия вращения уравновесила гравитационную энергию — это определяет вращательный предел. При другом критическом размере из газа конденсируются звезды, и начинается быстрый переход от газового облака к галактике, состоящей из звезд. Это конденсационный предел. Окончательная судьба сжимающегося облака зависит от соотношения этих трех критических радиусов. В зависимости от того, какой из них наибольший, появляются три интересные возможности.
Если наибольший радиус соответствует вращательному пределу, то сжатие останавливается вращением (рис. 7). Однако центробежные силы ограничены плоскостью вращения, так что сжатие в направлении, перпендикулярном этой плоскости, продолжается до образования тонкого диска. Этот диск выделяется формой и наличием вращения — это спиральная галактика.
<img width=«533» height=«215» src=«ref-1_748876443-1818.coolpic» v:shapes="_x0000_i1027">
рис.7. Быстрое вращение приводит к образованию плоской структуры
В случае если наибольшим является конденсационный, предел, звездообразование начинается до того, как эффекты вращения становятся важным фактором торможения сжатия. По мере роста плотности темп звездообразования увеличивается, и большая часть газа проходит через этот процесс. В этом диск не образуется.
Орбиты звезд будут таковы, что галактика станет почти сферической — в зависимости от величины и распределения начального углового момента. С этими свойствами — почти сферической формой, отсутствием газа и большим количеством звезд, образовавшихся вблизи начала его существования, объект явно будет эллиптической галактикой (рис.8).
<img width=«533» height=«215» src=«ref-1_748878261-1853.coolpic» v:shapes="_x0000_i1028">
рис. 8. Медленное вращение приводит к образованию
эллиптической галактики
В третьем случае, когда ни вращательный, ни конденсационный предел не являются достаточно большими, чтобы остановить сжатие, облако все уменьшается и уменьшается, пока не образуется сверхмассивный звездообразный объект. Возможно, это будет черная дыра — невидимая и почти не обнаруживаемая.
После обретения галактикой формы следующие стадии эволюции являются медленными и гораздо менее эффектными. Звезды образуются, умирают и выбрасывают богатое тяжелыми элементами вещество, образующее новые звезды, галактика постепенно тускнеет и краснеет, химический состав ее звездного населения медленно меняется по мере обогащения газа и пыли, из которых образуются последующие поколения звезд, тяжелыми элементами.
Мы не можем увидеть, как галактика меняется. Человеческая жизнь, по меньшей мере, в миллион раз короче, чем надо для этого. Но мы можем наблюдать эволюционные эффекты, глядя назад на все более ранние стадии эволюции нашей Вселенной, когда галактики оказываются более молодыми. Самые далекие наблюдаемые нами нормальные галактики мы наблюдаем более молодыми, чем наших соседей. Свету от галактики на расстоянии 10 миллиардов световых лет, например, потребовалось 10 миллиардов лет, чтобы достичь нас, и, таким образом, мы наблюдаем и измеряем изображение галактики, которая на 10 миллиардов лет моложе нашей. Если возраст Вселенной составляет от 15 до 20 миллиардов лет (точное значение еще с уверенностью не установлено), то возраст наблюдаемой галактики составляет всего одну треть возраста галактик вблизи нас, свет от которых доходит до нас быстрее. Разумеется, это соображение опирается на веру в одновременное сжатие и образование всех галактик вскоре после Большого Взрыва. В значительной степени молодые галактики были более яркими и голубыми.
7. Радиогалактики
Особый интерес представляют галактики с резко повышенной светимостью в радиоизлучении. Их принято называть радиогалактиками.
Наиболее выдающаяся радиогалактика — Лебедь А. Это мощнейший дискретный источник радиоизлучения. В том месте неба, где он находится, никаких оптически ярких объектов нет. Лебедь А – это двойная галактика с чрезвычайно тесно расположенными друг к другу компонентами. Эта галактика ввиду ее слабости в каталог NGC, конечно, не попала. Ее называют Лебедь А, потому что в созвездии Лебедя она является самым интенсивным источником радиоизлучения.
Расстояние до радиогалактики Лебедь А составляет 200 Мпс. Лебедь А — сверхгигантская галактика, превосходящая по светимости даже нашу галактику. Она излучает в оптическом диапазоне частот 2*1037 Дж/с, а в радиодиапазоне 3*1037 Дж/с. Это единственный случай для галактик, когда сравнение энергии показало преобладание энергии радиоволн над энергией оптического излучения.
Галактика Лебедь А не единственный объект такого рода во Вселенной. Другие такие объекты находятся на еще больших расстояниях. Поток проходящего от них радиоизлучения ввиду большего расстояния слабее, чем от источника Лебедь А, но все-таки радиотелескопы могут их обнаруживать.
Есть все основания думать, что среди большого числа дискретных источников радиоизлучения, не поддающихся до сих пор отождествлению с оптическими объектами, часть является чрезвычайно далекими галактиками, подобному объекту Лебедь А. Современные радиотелескопы способны обнаруживать дискретные источники радиоизлучения, поток энергии которых в 8000 раз слабее, чем у галактики Лебедь А, и находящиеся на расстоянии в 90 раз большем, чем Лебедь А. Отношение расстояний на самом деле не столь велико, так как интенсивность излучения ослабляется также значительным на столь больших расстояниях красным смещением спектров источников радиоизлучения. Расстояния этих слабых источников радиоизлучения (если они имеют такую же природу, как источник Лебедь А) можно оценить в 4000 Мпс. Радиоизлучение от этих возможных объектов должно путешествовать к нам около 12 млрд. лет!
Американские астрономы Бааде и Минковский выдвинули гипотезу природы излучения радиогалактик. Они предположили, что Лебедь А - это встретившиеся и проникающие друг в друга спиральные галактики. При столкновении спиралей на большой скорости встречаются диффузные массы. Происходит их разогрев и начинается свечение, в котором ввиду не очень высокой температуры значительную долю занимает радиоизлучение. Эта точка зрения может получить развитие, если предполагать, что при встрече диффузных масс значительная доля их кинетической энергии столкновения переходит в энергию относительно небольшого числа так называемых релятивистских частиц, т.е. частиц, движущихся с огромными скоростями. Релятивистские частицы, проходя через магнитные поля, замедляют свое движение, их кинетическая энергия уменьшается и при этом излучается энергия преимущественно в виде радиоволн, но также и в оптическом диапазоне. Возникшее таким образом излучение принято называть синхронным, потому что оно было обнаружено в ускорителе элементарных частиц — синхротроне.
Несколько ярких галактик, входящих в каталог NGC, также отнесены к разряду радиогалактик потому, что их радиоизлучение аномально сильное, хотя оно значительно уступает по энергии световому излучению. Из этих галактик NGC1275, NGC5128, NGC4782 и NGC6166 также являются двойными. Бааде и Минковский считали, что эти факты подтверждают их гипотезу случайного образования радиогалактик при столкновениях звездных систем, содержащих в себе диффузную материю.
Существует и другая точка зрения на природу радиоизлучения радиогалактик. Так В.А.Амбарцумян считает, что радиогалактики являются результатом процесса разделения первоначального тела на два тела — две удаляющиеся друг от друга галактики. Стадия деления — переход материи из более плотного состояния в менее плотное – вызывается взрывными процессами, которые сопровождаются интенсивным радиоизлучением.
Радиогалактика, следовательно, есть стадия, через которую проходит каждая галактика в самый ранний период своего развития. В гипотезе деления естественно объясняется тесное и взаимно центральное расположение компонентов двойных радиогалактик. Однако не вполне раскрытым остается механизм образования радиоизлучения. Но нужно иметь в виду, что мы не знаем аналогов такого грандиозного процесса, как возможный процесс разделения галактик в результате взрыва, и потому неудивительно, что сам механизм взрыва и сопровождающие его процессы пока остаются неясными. Однако можно предполагать, что при взрыве радиогалактики образуется большое количество частиц, летящих с огромными скоростями в магнитных полях и порождающих синхронное излучение. Это излучение, по-видимому, составляет главную часть оптического излучения и полностью определяет радиоизлучение радиогалактики. Характерно, что районы радиоизлучений обычно простираются далеко за пределы оптически наблюдаемой области радиогалактики.
Однако не все радиогалактики являются двойными системами. NGC2623 и NGC4486 – одиночные объекты.
Особенно интересна сверхгигантская радиогалактика NGC4486. Она обладает самой большой из известных масс галактик и окружена самой богатой системой шаровых скоплений. Но у этой галактики имеется еще одна замечательная особенность. Фотография ее центральной части, выполненная на 5-метровом телескопе при значительном увеличении и сравнительно небольшой экспозиции, показывает, что NGC4486 имеет маленькое ядро, из которого выброшена прямая тонкая струя светящейся материи. У этого светящегося выброса, имеющего длину 22" или в линейной мере около 1000 пс, спектр излучения такой, какой должен создаваться релятивистскими частицами, движущимися в магнитных полях. Это подтверждает наличие быстрых движений и то предположение, что наблюдаемая полоса есть выброс, который может быть произведен только из ядра галактики. Таким образом, мы встречаемся с явлением активности ядер галактики, причем активность носит характер взрывного процесса.
Поскольку NGC4486 и NGC2623 – это одиночные объекты, объяснить их радиоизлучение при помощи гипотезы столкновения нельзя. Это серьезный аргумент против гипотезы Бааде – Минковского и в пользу гипотезы В.А.Амбарцумяна, которая рассматривает явление мощного радиоизлучения в некоторых галактиках как результат взрывных процессов космического масштаба.
Среди радиогалактик большая часть является эллиптическими галактиками. Это сверхгиганты с необыкновенно сильным радиоизлучением. Интересно, что среди нормальных галактик самым слабым, трудно обнаруживаемым радиоизлучением обладают именно эллиптические галактики. Почему эллиптические галактики являются носителями самого сильного и самого слабого радиоизлучения в мире галактик, сказать пока трудно.
Так как радиогалактика в радиодиапазоне излучает в тысячи раз больше, чем нормальная галактика, то можно предположить, что радиоизлучение, исходящее от скопления галактик, определяется скорее всего, одной оказавшейся в скоплении радиогалактикой, чем совокупным действием всех остальных галактик скопления. Радиогалактики встречаются очень редко, их не может быть много в одном скоплении.
В нескольких скоплениях галактик удалось отождествить ту галактику, которая создает все или почти все радиоизлучение скопления, — является радиогалактикой. Каждый раз это оказывается эллиптическая галактика, имеющая слабое сжатие, почти круглая и расположенная у самого центра скопления. Каждый раз это сверхгигант – первая по светимости и по размерам галактика скопления.
продолжение
--PAGE_BREAK--