В последние десятилетия у астрономов сложилось устойчивое представление об эволюции ранней Вселенной и появлении первых звёзд и галактик. Через 370 000 лет после Большого взрыва температура расширяющегося универсума упала до такой степени, что протоны и электроны смогли начать образование нейтральных атомов. Так возник ещё неионизированный газ, поглощавший излучение, - эпоха, которую принято называть «тёмными веками».
Вначале такой газ был почти идеально равномерно распределён в пространстве. Но затем гравитация усиливала неравномерности в его распределении, и всего через несколько сот миллионов лет газ приступил к формированию первых звёзд, из которых появятся и первые галактики:
Излучение первого поколения светил ионизировало остальной газ Вселенной, доведя её примерно до той стадии, в которой мы сейчас живём. Так закончились «тёмные века»...
На самом деле, понять, что происходит после начала образования звёзд и до окончания «тёмных веков», довольно трудно. Их формирование запустило цепочку очень сложных для моделирования процессов: разогрев и остывание облаков газа, взрывы сверхновых, поглощение материи первыми чёрными дырами, мощнейшие звёздные ветры... Слишком много факторов стало влиять на картину, чтобы её можно было назвать до конца ясной.
Лучше понять происходившее помогали наблюдения. И в 2009 году астрономам казалось, что такие наблюдения уже начались. При помощи снимков, сделанных «Хабблом», были найдены сначала пара десятков, а затем и более тысячи очень ранних галактик, многие из которых относились к первому миллиарду лет после Большого взрыва. Очевидно, они должны были содержать молодые звёзды голубого цвета, и, кажется, именно их отыскали учёные, анализировавшие те снимки. Но несколькими годами позже группа под руководством Ричарда Эллиса (Richard Ellis) из Калифорнийского технологического института в Пасадене (США) предприняла ещё одни наблюдения части таких галактик, воспользовавшись дополнительным цветовым фильтром, с общим временем экспозиции, равным 23 суткам...
...И убедилась, что фактически звёзды этих галактик были краснее, чем показали исследования по снимкам 2009 года. Много краснее! Галактики, появившиеся через 560–780 млн после Большого взрыва, оказались состоящими из звёзд возрастом в 100–200 млн лет. Когда в начале 2013 года эти данные стали доступны астрономической общественности, посыпались недоумённые вопросы. Дело в том, что одновременно была опубликована информация, свидетельствовавшая: реионизация началась лишь через 250 млн лет после Большого взрыва, а закончилась (для водорода) через 1 млрд лет. До реионизации звёздный свет не мог свободно распространяться по Вселенной. Но накопленные данные по самым древним галактикам той поры просто не давали к этому оснований!
По всем расчётам, видимого их количества не должно было хватить для проведения реорганизации: слишком мало излучения они давали. Очевидно, заключили Ричард Эллис и его коллеги, есть ещё много галактик, кои мы по тем или иным причинам пока не видим. «Теперь мы знаем, что существует целая популяция малых галактик, относящаяся к ещё более ранним временам, чем те, что доступны «Хабблу», - уверен астроном. Отсюда следует, что они должны были появиться ранее 560 млн лет после Большого взрыва, что очень странно: когда же газ успел сформироваться в первые протозвёздные облака?
Есть и другие вопросы. Первые звёзды, согласно сегодняшними теориям, имели в своём распоряжении едва ли не один только водород и лишь немного гелия, то есть их масса должна была в сотню раз превышать солнечную, иначе термоядерные реакции без более тяжёлых веществ, служащих «катализаторами», просто не начались бы.
Время жизни таких гигантов не должно было превышать 2 млн лет, после чего они неминуемо исчезали во взрывах сверхновых. Но вот беда: получается, что такие взрывы именно в ту эпоху происходили с прямо-таки бешеной частотой, что сказывалось бы на облаках межзвёздного газа, образовывавших новые светила. А ведь им и так в бог весть какие сжатые сроки нужно было образовать галактики - быстрее, чем за полмиллиарда лет после Начала Всего. Очевидно, одна часть этой картины прямо противоречит другой: звёзды первого поколения никак не могли позволить быстрого формирования новых светил и галактик.
Как отмечает теоретик Фолькер Бромм (Volker Bromm) из Техасского университета в Остине (США), если галактики, существовавшие через полмиллиарда лет и уже наблюдавшиеся «Хабблом», имеют звёзды, которым от ста миллионов лет и больше, то очевидно, что между смертью первого поколения звёзд и формированием второго должно пройти или чрезвычайно малое время, или... нулевое время. Более того, полагает он, эти два поколения частично могли даже одновременно существовать.
Итак, история Вселенной, похоже, отпустила ей слишком мало времени на образование первых звёзд и галактик. Так что целостное видение эволюции ранней Вселенной, существовавшее до наблюдений «Хаббла», впервые поставлено под сомнение.
Правда, к концу этого года радиоинтерферометр ALMA, работающий в миллиметровом диапазоне (в который благодаря красному смещению попадает ИК-излучение газовых облаков ранней Вселенной), введёт в строй достаточно своих элементов, чтобы увидеть следы галактик, существовавших всего через 425 млн лет после Большого взрыва. И если это так, наше понимание природы первых звёзд и галактик ожидают существенные сдвиги.
Подготовлено по материалам Nature News.
Но в наблюдениях мы видим и прослеживаем структуры во Вселенной именно через исследование галактик.
Поэтому наблюдательное исследование эволюции Вселенной - это исследование эволюции галактик. Такой «экстремистский» тезис я буду доказывать, обосновывать, иллюстрировать на протяжении всей этой книги.
Исследование эволюции галактик сейчас переживает бурное развитие в связи с развитием техники астрономических наблюдений. Теория пока не поспевает за наблюдательными открытиями, поэтому ключевые концепции приходится пересматривать достаточно часто.
Я расскажу о текущем состоянии дел и немного о перспективных - весьма вероятных будущих изменениях в общепринятых взглядах на эволюцию галактик и, соответственно, на эволюцию всей Вселенной.
Три кита, на которых стоит теория эволюции галактик
Все исследования формирования и эволюции галактик опираются прежде всего на физическую модель. Хотя в перспективе это должна быть единая, самосогласованная модель, но исторически сложилось так, что до сих пор практически независимо рассматривается три класса физических механизмов, формирующих и изменяющих структуру и наблюдаемые характеристики галактик - их размер, блеск, цвет, внутренние движения. Эти три класса механизмов - три кита, на которых покоятся (или, напротив, быстро изменяются) наши представления об эволюции галактик, - следующие:
Динамическая эволюция,
-спектрофотометрическая эволюция,
-химическая эволюция галактик.
В классическом варианте теории динамическая эволюция понималась прежде всего как ранняя стадия эволюции, относящаяся собственно к формированию галактики. Эта традиция объяснялась тем, что большинство галактик вокруг нас выглядят как динамически устойчивые, прорелаксировавшие системы; судя по всему, в них выполняется теорема вириала, 2T + U = const, где T - кинетическая энергия системы, а U - ее потенциальная энергия. Поэтому сначала предполагалось, что бурные динамические процессы, оформившие в основном структуру галактик, относились к первому миллиарду лет их жизни, к эпохе коллапса протогалактического газового облака и основного звездообразования в нем.
А позже динамические эффекты лишь слегка изменяли структурные характеристики: например, из-за увеличения хаотических скоростей старых звезд («динамический нагрев») могли утолщаться диски галактик.
В последние десятилетия общее мнение о важности динамических процессов в структурной эволюции современных галактик стало радикально меняться. Прежде всего, зрелищный феномен взаимодействия галактик, хотя и достаточно редкий в нашу эпоху, все же навел астрономов на мысль, что галактики могут сливаться, а в давние времена, когда плотность вещества в расширяющейся Вселенной была выше, чем сейчас, и частота слияний тоже могла быть выше. Эту идею сейчас подхватили и успешно эксплуатируют космологи; согласно их сценариям, вся эволюция галактик - это череда последовательных слияний. Между тем, конечно, слияния («мержинг», как говорят западные коллеги) - это динамические катастрофы, которые полностью перестраивают галактику и дают начало ее новой жизни.
Кроме катастроф, могут существовать и плавные, монотонные, но тем не менее существенные изменения в структуре галактик под действием разного рода динамических неустойчивостей; такие изменения называют «вековой эволюцией».
В последнее время все более популярной становится идея о том, что даже такие глобальные структуры в галактиках, как бары (центральные перемычки), которые дали Хабблу основание выделить особую ветвь морфологической классификации галактик, SB-ветвь, на самом деле не являются пожизненным атрибутом галактики: в ходе вековой эволюции они могут возникать, потом рассасываться, потом возникать снова. Также вековая эволюция может изменять соотношение размеров балджа и диска в галактике и даже менять ее морфологический тип.
Спектрофотометрическая эволюция галактик - т. е. эволюция их светимости, цвета и спектра - определяется суммарным эффектом эволюции составляющих ее звезд. При наблюдениях мы можем разрешить на отдельные звезды только самые близкие к нам галактики; для подавляющего же большинства галактик доступны измерениям только интегральные потоки - сумма излучений всех звезд, составляющих данную галактику или данную область галактики.
Простейшим аналогом галактик как звездных систем являются звездные скопления, которые состоят из звезд одного возраста и одного химического состава, но разной массы. Галактика же в общем случае состоит из многих поколений звезд, т. е. как бы представляет собой сумму гиперскоплений разных возрастов; в самосогласованной (идеальной) модели и металличность поколений должна быть разной в соответствии с ходом химической эволюции в галактике.
На деле же пока более успешными, в плане сравнения с наблюдениями, являются модели звездных населений галактик с единым химическим составом для всех звезд - химическим составом, вероятно, соответствующим среднему, взвешенному по светимости звезд, обилию элементов в звездах галактики.
Спектрофотометрические модели галактик строятся численным интегрированием (сложением) спектров звезд, которые, в свою очередь, берутся из хорошо разработанной теории эволюции звезд. Определяющими параметрами эволюционных треков звезд на диаграмме Герцшпрунга - Рассела служат масса и металличность звезды, поэтому интегрирование проводится по массам и возрастам звезд, а металличность фиксируется как параметр модели галактики.
При этом, конечно, надо знать или задавать из априорных предположений распределения звезд в галактике по массам и возрастам. В самом простом случае предполагается, что в определенный момент времени образовался некий конгломерат звезд разных масс, но одинаковой металличности, и дальше он спокойно эволюционировал без добавления туда новых звезд.
Такой частный вариант модели еще называют «пассивной эволюцией» и довольно успешно применяют его для описания эволюции эллиптических галактик. Расчеты показывают, что пассивно эволюционирующая система звезд с возрастом тускнеет и краснеет, поскольку наиболее массивные, яркие голубые звезды заканчивают свой жизненный путь раньше, чем менее массивные. К возрасту около 10 млрд лет такая звездная система уже состоит только из звезд, менее массивных, чем Солнце, и ее спектрофотометрическая эволюция сильно замедляется.
Поэтому эллиптические галактики на красных смещениях z = 0 и z = 0,5 выглядят совершенно одинаковыми, хотя более далекие из них - на z = 0,5 - в среднем на 3–5 млрд лет моложе. А вот если в галактике в середине или на любом другом промежуточном этапе ее жизненного пути образовывались новые молодые звезды, то она в этот момент «омолаживалась», т. е. ярчала и голубела, и дальше эволюция должна была пойти уже немного по-другому, в частности - в более резвом темпе.
Если коротко охарактеризовать самые общие впечатления от современных цветов и светимостей близких галактик, то они хорошо описываются моделями, в которых практически все галактики - старые, т. е. первая вспышка звездообразования состоялась более 10 млрд лет назад, а дальше - чем более ранний морфологический тип у галактики, тем меньше было характерное время затухания ее глобального звездообразования. В эллиптических галактиках все должно было закончиться менее, чем за 1 млрд лет, а в Sc-галактиках звездообразование тлеет примерно на постоянном уровне все время ее жизни. В неправильных и карликовых галактиках вообще предполагается «вспышечный», т. е. сильно неравномерный ход глобального звездообразования.
Химическая эволюция галактик - это история происхождения химических элементов. Согласно современным представлениям, только самые легкие элементы - водород и его изотопы, гелий и литий - образовались в Большом взрыве, в первые несколько минут жизни Вселенной.
Все остальные элементы образуются в звездах в процессе их эволюции, в ходе термоядерных реакций.
Различают несколько классов ядерных реакций, характерных для звезд различных масс в разные периоды их жизни:
протон-протонную цепочку, CNO-цикл, горение гелия, горение углерода, s-процессы, г-процессы и т. д.
Мнения теоретиков о вкладе тех или иных реакций в производство каждого конкретного химического элемента еще окончательно не устоялись. Однако те, кто моделирует химическую эволюцию галактик, смело берут «state-of-art», т. е. самые свежие расчеты звездного нуклеосинтеза, а далее интегрируют производство химических элементов по времени и по массам звезд точно так же, как при спектрофотометрическом моделировании интегрировали светимости звезд.
Параметры модели, соответственно, те же самые - начальное распределение звезд по массам и история звездообразования в галактике, плюс теория звездного нуклеосинтеза, которая на данный момент считается заданной.
В астрономии все элементы тяжелее гелия традиционно называют «металлами», в этом мы терминологически расходимся с химиками. Поскольку металлы в звездах синтезируются, но практически не разрушаются, металличность галактики со временем всегда возрастает, но с какой скоростью и по какому закону - это уже зависит от деталей модели.
В области химической эволюции галактик у исследователей есть мощный эталон, которого нет в области спектрофотометрической эволюции, - это наша собственная Галактика. Посмотреть на нее со стороны и измерить светимость мы не можем, а вот измерить химический состав отдельных звезд - можем.
Химический состав звезд Галактики уже давно исследуется в массовом порядке, есть хорошая статистика, но нельзя сказать, что она сильно проясняет ситуацию. Вроде бы самые первые звезды должны образовываться из первичного газа, не прошедшего еще через цепь термоядерных реакций в недрах звезд, а потому имеющего нулевую металличность. Однако в нашей Галактике пока не найдено ни одной звезды с нулевой металличностью.
Куда же делись маломассивные долгоживущие первичные звезды с нулевой металличностью? Или откуда взялся ненулевой уровень начальной металличности в нашей Галактике? Вроде бы металличность газа и соответственно звезд, из него образующихся, должна монотонно возрастать со временем, но в диске Галактики до сих пор не найдено убедительной антикорреляции металличности звезд с их возрастом. Возраст Солнца - не менее 4,5 млрд лет, но современная металличность межзвездной среды очень близка к солнечной. Чем объяснить практически нулевой темп обогащения металлами межзвездной среды галактического диска?
А наблюдательная техника продолжает развиваться. Сейчас уже в звездах измеряют детальный химический состав - не общую металличность, а содержание отдельно железа, кислорода, магния, кальция и т. д. Соответственно, и от современной теории химической эволюции галактик теперь уже требуются сценарии, объясняющие не только общую металличность, но и соотношение содержаний отдельных химических элементов на каждом этапе эволюции и в разных типах галактик. Нельзя сказать, что задачи теории химической эволюции упрощаются со временем - а мы и прежние еще не решили…
Два способа изучать эволюцию, или Что мы знаем про далекие галактики
Чтобы наполнить картину эволюции галактик конкретным содержанием и выстроить последовательность и значимость различных возможных эволюционных этапов и механизмов, необходимы наблюдательные данные. Их можно получать двумя принципиально разными способами.
Во-первых, можно подробно изучать строение и характеристики близких галактик и строить физические модели эволюции, которые на финальной стадии, к моменту нулевого красного смещения, дают именно такие объекты, какие мы видим рядом с собой, полностью похожие по динамике, структуре и характеристикам звездного населения.
А во-вторых, учитывая колоссальную проницающую силу современных больших телескопов, можно заглядывать напрямую на большие красные смещения - там мы видим галактики, какими они были несколько миллиардов лет назад. Ведь скорость света конечна, и с очень далеких расстояний свет может идти от галактики до нас миллиарды лет.
На рисунке представлена связь красного смещения, на котором наблюдается галактика, и времени, прошедшего для нее от рождения Вселенной, т. е. от Большого взрыва до момента испускания галактикой тех квантов, которые мы сейчас принимаем.
Для расчета графика на рис. 1.4 использована самая популярная современная космологическая модель - с темной материей и темной энергией. Именно космологическая модель определяет геометрию Вселенной, шкалу расстояний и, соответственно, время, которое требуется лучу света, чтобы дойти от галактики на красном смещении z до нас, находящихся на z = 0. Из рис. 1.4 видно, что когда мы наблюдаем галактику на красном смещении z = 1, мы ее видим такой, какой она была 8 млрд лет назад. А на красном смещении z = 5, где сейчас идут самые массовые поиски и обзоры галактик, видна Вселенная всего через один миллиард лет после .
С современными наблюдательными средствами мы видим практически всю эволюцию Вселенной на просвет и, двигаясь по z, можем на прямую наблюдать эволюцию полного космического населения галактик.
Первый подход, когда мы изучаем в деталях близкие галактики, хорош тем, что мы видим в галактиках всё и с большой точностью измеряем все характеристики галактик. Ограничения первого подхода тоже ясны: мы можем заложить в модели только ту физику, которую уже знаем, а если в эволюции галактик есть то, чего мы себе пока не представляем, оно будет упущено, и модель получится неверной. Правда, тот факт, что модель неверна, мы рано или поздно обнаружим, когда появятся новые наблюдательные данные, которые в данную модель не укладываются.
Второй подход, на первый взгляд, кажется более прямым: выстраивая наблюдаемые характеристики галактик вдоль красного смещения, мы вроде бы получаем временной ход их эволюции, не опирающийся на априорные модельные предположения. Однако когда работа в этом направлении пошла активно, выяснилось, что и тут все непросто.
Допустим, в каком-то диапазоне спектра - например, в дальнем инфракрасном диапазоне - обнаруживается совершенно новый вид галактик; к примеру, удалось определить их красное смещение, хотя и это не всегда возможно, и это красное смещение оказалось большим: мы видим ранний этап эволюции.
Теперь надо понять: превратятся ли эти необычные галактики во что-то обычное к настоящей эпохе, к z = 0, и во что именно, или же с ходом эволюции исчезнут как класс, и мы не увидим рядом с нами их прямых потомков. Единственный известный пока нам способ сделать это, то есть выстроить наблюдаемые на разных красных смещениях совершенно разные по виду галактики в одну эволюционную цепочку, состоит в том, чтобы привлечь те самые физические модели эволюции, правильность которых еще никто не доказал. И все возвращается на круги своя.
Пока что чем больше наблюдательных данных о далеких галактиках собирается в копилках астрономов, тем менее ясной представляется общая картина. Есть и прямые противоречия: одни данные говорят за один сценарий эволюции, другие - за совершенно иной. Наука об эволюции галактик находится сейчас в том счастливом возрасте, когда фактов уже достаточно, чтобы было над чем поразмыслить, но полную картину еще предстоит построить.
Наиболее яркий пример прямого наблюдательного изучения эволюции галактик путем сопоставления их типичных характеристик на разных красных смещениях служит история исследования глубоких полей «Хаббла» (HDF, Hubble Deep Fields) - то есть площадок неба, снятых космическим телескопом «Хаббл» с очень длинными экспозициями.
Сейчас их уже несколько - Ультраглубокое поле «Хаббла» (2004), Крайне глубокое поле «Хаббла» (2012 г.), а началось все с двух небольших площадок - северной и южной. Северное глубокое поле «Хаббла» (HDF-N) было снято первым и на сегодняшний день исследовано досконально. Вся эта эпопея с глубокими полями «Хаббла» началась в 1994 году, когда после починки космического телескопа «Хаббл» (далее - HST) выяснилось, что теперь он может получать изображения с угловым разрешением 0,1″.
Астрономам захотелось посмотреть с таким разрешением на очень далекие галактики; для этого нужно было получить очень глубокий снимок, т. е. снимок с очень большой экспозицией. В созвездии Большая Медведица была выбрана небольшая, всего 5,3 кв. минуты дуги, и на первый взгляд совершенно пустая площадка, и с прибором WFPC2 (Wide-Field Planetary Camera-2) она экспонировалась в течение 10 суток.
Были получены снимки в четырех широких фотометрических полосах: использовались фильтры F300W, F450W, F555W и F814W, центрированные на длины волн, указанные в их именах (в нанометрах), и грубо соответствующие фотометрической системе Джонсона - Казинса, т. е. фильтрам U, B, V и I. Позднее площадку досняли с прибором NICMOS (Near-Infrared Camera and Multi-Object Spectrograph) в фильтрах F110W (1,1 мкм, J) и F160W (1,6 мкм, H).
Таким образом, для всех объектов площадки были получены не только широкополосные цвета, но и грубое распределение энергии в спектре в диапазоне от 3000 до 16 000 Å. Предельная звездная величина, достигнутая в экспозиции HDF-N, Vlim ≈ 30m. Площадка располагается на высокой галактической широте, поэтому несомненных звезд на ней мало - всего 9; есть еще несколько десятков слабых точечных голубых объектов, которые могут оказаться старыми белыми карликами.
Все остальные объекты площадки, а их около трех тысяч, - это галактики. Самой близкой к нам оказалась красивая эллиптическая галактика чуть выше центра кадра - ее красное смещение z = 0,09. На каком красном смещении располагается самая далекая галактика в HDF-N, пока сказать трудно. Есть один объект, широкополосные цвета которого намекают на z ≈ 12, однако все попытки снять спектр галактики, чтобы найти в нем эмиссионную линию для спектрального подтверждения красного смещения по эффекту Доплера, потерпели неудачу - уж слишком слабый у нее блеск.
Подавляющее большинство галактик, обнаруженных в HDF-N, находятся на красных смещениях меньше 1. Правда, надо иметь в виду: в основном это так называемые фотометрические красные смещения. Снять спектр галактики 25-й звездной величины, используя даже самые крупные наземные телескопы, - дело долгое, дорогое и трудное. Поэтому в поле HDF-N прямо измерили значения z только у 150 галактик из 3000, причем, естественно, у самых ярких.
Для остальных моделировали цвета: распределения энергии в спектрах близких галактик сдвигали в красную сторону, «сворачивали» с кривыми реакции фильтров и смотрели, как меняется видимый цвет в зависимости от z. Совпал при каком-то конкретном красном смещении модельный цвет с наблюдаемым для некоей галактики - вот вам и фотометрическое z.
По всем 150 галактикам, у которых красное смещение измерено спектрально, калибровки фотометрических z, естественно, были проверены; авторы методики уверяют, что точность фотометрических красных смещений, определенная как (zph − zspec) / (1 + zspec), лучше 5%.
Среди того большинства галактик, у которых z < 1, опять же большую часть представляют слабые голубые галактики с нерегулярной морфологией, и относительное количество таких галактик явно растет с z. Однако на z ≤ 1 наблюдаются и яркие представители всех хаббловских морфологических типов. Например спиральная галактика, развернутая плашмя; ее красное смещение z = 1,01. Статистический анализ показывает, что в интервале 1 > z > 0 ни число, ни характерные светимости и размеры эллиптических и спиральных галактик не изменились: все крупные галактики, которых мы видим рядом с нами, уже сформировались к эпохе z ≈ 1, т. е. 8 млрд лет назад.
Однако картина резко меняется на z > 1,5: в HDF-N нет ни одной галактики с большим z, которые имели бы правильную морфологию, а всего их там несколько десятков. Характерное изменение морфологии с z можно проследить, например, на рис. 1.6 (взят из обзора Ferguson et al., 2000): галактики на z > 2, как правило, «множественные», т. е. представляют собой скопления сгустков неправильной формы. Линейные размеры сгустков значительно меньше, чем типичные размеры современных галактик, - их диаметры меньше 1 кпк.
Сторонники иерархической концепции, т. е. гипотезы формирования больших галактик путем слияния мелких фрагментов, обрадовались, решив, что в HDF-N напрямую виден этот процесс на красных смещениях z = 2 ÷ 3.
Однако скептики тут же выдвинули свои возражения. Во-первых, существует космологическое ослабление поверхностной яркости - эффект Толмена, пропорциональный (1 + z)4, - и значит, на больших красных смещениях мы можем не увидеть обычные диски галактик, а будем видеть только самые яркие области звездообразования в них; у современных молодых звездных комплексов как раз подходящие размеры.
Во-вторых, на z > 2 в оптическую область спектра, где наблюдала WFPC2, из-за красного смещения попадает уже далекая ультрафиолетовая область спектра в собственной системе длин волн галактики, а ультрафиолетовая морфология галактики может сильно отличаться от оптической, опять же из-за очагов звездообразования.
Последнее возражение удалось отчасти снять после того, как HDF-N отнаблюдали с прибором NICMOS на 1,1 мкм и 1,6 мкм и посмотрели уже на оптическую (в системе длин волн галактик) морфологию тех же самых далеких объектов; оказалось, что она качественно не отличается от морфологии, наблюдавшейся с WFPC2 . Однако первое возражение пока еще никто не опроверг.
Вообще-то наблюдательные поиски галактик в процессе их формирования начались задолго до запуска космического .
Еще в 1970-х годах усилиями сначала Пиблса и Патриджа, а потом Беатрис Тинсли, которая изобрела метод эволюционного спектрофотометрического моделирования, стал очень популярен такой образ новорожденной эллиптической галактики: «10 миллионов Туманностей Ориона».
Действительно, цвета близких эллиптических галактик очень красные, и они свидетельствуют в пользу того, что все звездообразование в этих галактиках закончилось в первый миллиард лет их жизни. Между тем самые крупные из них содержат до 1012 М☉ звезд. Разделив одно на другое, получаем на заре формирования эллиптической галактики темп звездообразования (SFR, Star Formation Rate) до 1000 М☉ в год! Для сравнения - в современных крупных спиральных галактиках в среднем SFR ≈ 1М☉ в год.
Спектрофотометрические модели предсказывают, что при текущем SFR ≈ 1000 М☉ в год галактика должна быть очень яркой - примерно как квазар, т. е. на 4 звездные величины ярче, чем сегодня, - а также голубой и с мощной эмиссионной линией водорода Lyα в спектре.
Вот таких «зверей» и искали весьма активно на небе в 1970–1980-е годы, сначала с фотографической техникой, а потом уже и с помощью ПЗС-приемников. К 1978 году был закончен первый глубокий подсчет галактик Крона: он считал их в двух фильтрах, голубом и красном, и обнаружил, что в B-лучах слабых галактик 23–24-й звездной величины гораздо больше, чем можно было предсказать, исходя из парадигмы пассивной эволюции, т. е. из предположения, что на любом z галактики такие же и в том же количестве, что и рядом с нами.
Этот результат вдохновил Тинсли: она произвела необходимые модельные расчеты и объявила, что среди «избыточных» слабых голубых галактик Крона должно быть много далеких, на z > 3, эллиптических галактик в момент их основной эпохи звездообразования.
Она не дожила до результатов массовой спектроскопии слабых голубых галактик; всем остальным заинтересованным исследователям эти результаты принесли разочарование: «избыточные» слабые голубые галактики оказались все на z 
Рис. 1.7 иллюстрирует технику поиска LBG-галактик, в данном случае на z = 7: в фильтре i (λc = 7500 Å) галактики не видно, а в фильтре J (11 000 Å) и в более красных она видна превосходно - значит, с большой долей вероятности это Ly-break галактика на z ≈ 7.
В основном благодаря усилиям Чарльза Стейделя (Steidel, 1999) сейчас известно уже несколько тысяч таких объектов и подведены первые статистические итоги. Так, по своим свойствам, в том числе и по характерной светимости (а значит, скорее всего, и по массе), LBG-галактики на z = 3, z = 4 и z = 5 идентичны друг другу. Это означает, что процесс формирования звездного населения в этих галактиках был достаточно затяжным. В спектрах половины LBG-галактик вовсе не оказалось Lyα-эмиссии, а в остальных она весьма скромная; да и темпы звездообразования, оцененные по потоку в ультрафиолете (в системе галактики), оказались в среднем весьма умеренными, от 8 до 25 М☉ / год, что согласуется с идеей о большой продолжительности у них эпохи звездообразования. Есть предположение, что LBG-галактики - это будущие балджи современных дисковых галактик ранних типов; впрочем, доказать это трудно. Любопытно, что после того как была оценена средняя плотность на небе пересчитанных на довольно больших площадях LBG-галактик, выяснилось, что в HDF-N количество LBG-галактик в несколько раз меньше среднеожидаемого (Steidel et al., 1996b). То есть в плане средней эволюции галактик на больших z Северное глубокое поле «Хаббла» оказалось совершенно нетипичным, что неудивительно, учитывая его малые размеры. Тогда насколько же репрезентативна статистика морфологических типов галактик, которую астрономы с энтузиазмом изучают по глубоким полям «Хаббла» в течение уже многих лет?!
Астрофизик, доктор физико-математических наук, заведующая отделом физики эмиссионных звезд и галактик Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга МГУ им. М.В. Ломоносова – Ольга Касьяновна Сильченко.
Галактики - крупные конгломераты звезд, содержащие также некоторое - весьма разное - количество газа и пыли. Галактики - основной видимый структурный элемент Вселенной (Галактики, 2017). Если вы разглядываете Вселенную, то видите в ней именно галактики. Теоретики расскажут вам, что на самом деле Вселенная состоит из темной материи и управляется темной энергией. Но в наблюдениях мы видим и прослеживаем структуры во Вселенной именно через исследование галактик. Поэтому наблюдательное исследование эволюции Вселенной - это исследование эволюции галактик. Такой «экстремистский» тезис я буду доказывать, обосновывать, иллюстрировать на протяжении всей этой книги .
Исследование эволюции галактик сейчас переживает бурное развитие в связи с развитием техники астрономических наблюдений. Теория пока не поспевает за наблюдательными открытиями, поэтому ключевые концепции приходится пересматривать достаточно часто. Я расскажу о текущем состоянии дел и немного о перспективных - весьма вероятных будущих изменениях в общепринятых взглядах на эволюцию галактик и, соответственно, на эволюцию всей Вселенной.
1.1. Немного истории
Вопросы происхождения и эволюции галактик начали ставить сразу, как только возникла внегалактическая астрономия. Эдвин Хаббл создавал свою морфологическую классификацию галактик, считая, что он рисует эволюционную последовательность. Если рассматривать морфологическую схему Хаббла (рис. 1.1) слева направо, как принято читать и писать у европейцев, то в начале эволюционной, как думал Хаббл, последовательности идут эллиптические галактики - однородные и бесструктурные сфероиды. Затем идут линзовидные галактики, у которых уже можно различить два компонента - плоский диск и сфероидальный балдж. А за ними следуют разнообразные спиральные галактики: у них есть и балдж, и диск, и спиральные рукава, и области звездообразования, а иногда глобальные бары (перемычки, пересекающие центр галактики), и множество более мелких структур. Сам Хаббл считал, что любая галактика сначала формируется как эллиптическая, апотом у нее постепенно развиваются и другие компоненты помимо сфероидального. Отголоски его воззрений остались в нашей современной терминологии: вслед за Хабблом мы до сих пор называем те галактики, что на схеме Хаббла слева, галактиками «ранних типов», а те, что справа, - галактиками «поздних типов». Впрочем, эволюционный смысл схемы Хаббла был очень быстро отвергнут, как только накопилась достаточная статистика измерений глобальных характеристик галактик. Во-первых, оказалось, что галактики разных морфологических типов заполняют разные интервалы масс: среди эллиптических есть и очень массивные, до 10 12 масс Солнца (М ☉) в виде звезд, и совсем карликовые, чуть массивнее шаровых скоплений, т. е. 10 6 –10 7 М ☉ . Спиральные же галактики бывают только «средней» массы - они встречаются в узком диапазоне интегральных абсолютных звездных величин: примерно от М в ≈ −18 до М в ≈ −21, т. е. масса их звездного населения 10 10 –10 11 М ☉ .
Рис. 1.1. Схема классификации галактик по Хабблу 1936 года, так называемая «вилка», или «камертон», Хаббла. Рисунок А. Каспаровой. Фото: NASA/ESA
Невозможно вообразить себе механизм эволюции, вынуждающий эллиптическую галактику в процессе развития сбрасывать звездную массу, чтобы встроиться в нужный интервал светимостей и превратиться в спиральную галактику. Кроме того, эллиптические и дисковые галактики обладают принципиально разным моментом импульса: эллиптические вращаются очень медленно или почти совсем не вращаются, спиральные же демонстрируют весьма значительный момент. Откуда они его могут взять на промежуточных стадиях эволюции? В схеме Хаббла указаний на это не было.
К 1970-м годам среди астрономов утвердилось мнение, что галактики разного морфологического типа имеют разные начальные условия и сценарии формирования, поэтому не могут превращаться друг в друга. Любопытно, что это мнение продержалось недолго. Уже к середине 1990-х годов вновь возникла идея эволюционной трансформации морфологических типов, но теперь вектор направления эволюции развернулся в противоположную сторону: сейчас теоретики считают, что сначала образуются чисто дисковые галактики (т. е. спиральные совсем поздних типов), потом у них в ходе вековой (т. е. медленной, постепенной) эволюции нарастают балджи, а потом они и вовсе сливаются друг с другом и в результате «мержинга» (англ. merge - объединяться, сливаться) начинают новую жизнь уже как сфероидальные эллиптические галактики.
Однако чтобы образовать любую звездную структуру, нужны сами звезды. Что касается основного элемента процесса формирования всех типов галактик, т. е. образования звезд, то в середине XX века существовали две конкурирующие концепции: космогония Дж. Джинса, для которой ключевое слово - «конденсация», и космогония В. А. Амбарцумяна, ключевое слово - «разлет». Согласно концепции Джинса, звезды (и галактики) образовывались в результате гравитационного коллапса (сжатия) и сопутствующей ему фрагментации газовых облаков. Механизм этого процесса - гравитационная неустойчивость - был совершенно понятен всем исследователям; источники энергии для поджига термоядерных реакций в звездах тоже вполне традиционны и хорошо изучены в рамках классической термодинамики. Концепция же Амбарцумяна вдохновлялась загадочной тогда колоссальной энергетикой активных ядер галактик. Предполагалось, что в них существует некое «дозвездное вещество» (сокращенно называемое «Д-телами»), которое обладает кучей неизвестных свойств, поскольку сама природа его неизвестна, а также одним известным свойством: оно само по себе разлетается (взрывается) с мощным выделением энергии, и из его брызг и образуются звезды. Таким образом, предполагалось, что изначально было ядро галактики, а потом вокруг него уже надстраивались все остальные структуры галактики. Несмотря на энтузиазм и талант Амбарцумяна и его сотрудников и многолетние усилия большой и хорошо оснащенной Бюраканской обсерватории в Армении, детализировать природу «дозвездного вещества», источник его энергетики и механизм его разлета так и не удалось. В итоге окончательно победила концепция Джинса.
Рис. 1.2. M51 - галактика со спутником, наблюдаемым в проекции на спиральную ветвь. Фото: космический телескоп «Хаббл» (NASA/ESA)
Любопытная и вполне оригинальная космогоническая концепция развивалась в прошлом веке и в стенах Государственного астрономического института (ГАИШ) МГУ. Профессор Б. А. Воронцов-Вельяминов, увлекавшийся взаимодействием галактик и практически открывший взаимодействующие галактики как класс, был вдохновлен структурой близкой спиральной галактики M51 (рис. 1.2), у которой крупный спутник виден прямо на конце спиральной ветви. Воронцов-Вельяминов составил каталог взаимодействующих галактик, где обозначил M51 первым номером, VV1, и подобрал еще целую коллекцию похожих галактик - взаимодействующих галактик «типа M51». Он выдвинул идею, что небольшие галактики второго поколения могут образовываться в результате гравитационного (приливного) взаимодействия крупных газовых дисков, в их глобальных приливных структурах: спиральных ветвях, «мостах», «хвостах» и т. д. В свое время эта концепция не получила достаточного резонанса. Однако уже много позже в приливных хвостах взаимодействующей пары галактик NGC 4038 / NGC 4039 («Антенны», рис. 1.3) Пьер-Алан Дюк и Феликс Мирабель (Duc, Mirabel, 1997) обнаружили молодые звездные суперкомплексы массой до миллиарда масс Солнца. Их в конце концов признали новорожденными карликовыми галактиками, и сейчас уже выделен целый класс таких галактик - «приливные карлики». Это единственный тип галактик, про который все согласились, что в них нет темной материи. Так идея Воронцова-Вельяминова неожиданно получила наблюдательное подтверждение.
Рис. 1.3. Сливающиеся галактики «Антенны». Фото: космический телескоп «Хаббл» (NASA/ESA)
1.2. Три кита, на которых стоит теория эволюции галактик
Все исследования формирования и эволюции галактик опираются прежде всего на физическую модель. Хотя в перспективе это должна быть единая, самосогласованная модель, но исторически сложилось так, что до сих пор практически независимо рассматривается три класса физических механизмов, формирующих и изменяющих структуру и наблюдаемые характеристики галактик - их размер, блеск, цвет, внутренние движения. Эти три класса механизмов - три кита, на которых покоятся (или, напротив, быстро изменяются) наши представления об эволюции галактик, - следующие:
- динамическая эволюция,
- спектрофотометрическая эволюция,
- химическая эволюция галактик.
В классическом варианте теории динамическая эволюция понималась прежде всего как ранняя стадия эволюции, относящаяся собственно к формированию галактики. Эта традиция объяснялась тем, что большинство галактик вокруг нас выглядят как динамически устойчивые, прорелаксировавшие системы; судя по всему, в них выполняется теорема вириала, 2 T + U = const, где T - кинетическая энергия системы, а U - ее потенциальная энергия. Поэтому сначала предполагалось, что бурные динамические процессы, оформившие в основном структуру галактик, относились к первому миллиарду лет их жизни, к эпохе коллапса протогалактического газового облака и основного звездообразования в нем. А позже динамические эффекты лишь слегка изменяли структурные характеристики: например, из-за увеличения хаотических скоростей старых звезд («динамический нагрев») могли утолщаться диски галактик.
В последние десятилетия общее мнение о важности динамических процессов в структурной эволюции современных галактик стало радикально меняться. Прежде всего, зрелищный феномен взаимодействия галактик, хотя и достаточно редкий в нашу эпоху, все же навел астрономов на мысль, что галактики могут сливаться, а в давние времена, когда плотность вещества в расширяющейся Вселенной была выше, чем сейчас, и частота слияний тоже могла быть выше. Эту идею сейчас подхватили и успешно эксплуатируют космологи; согласно их сценариям, вся эволюция галактик - это череда последовательных слияний. Между тем, конечно, слияния («мержинг», как говорят западные коллеги) - это динамические катастрофы, которые полностью перестраивают галактику и дают начало ее новой жизни. Кроме катастроф, могут существовать и плавные, монотонные, но тем не менее существенные изменения в структуре галактик под действием разного рода динамических неустойчивостей; такие изменения называют «вековой эволюцией». В последнее время все более популярной становится идея о том, что даже такие глобальные структуры в галактиках, как бары (центральные перемычки), которые дали Хабблу основание выделить особую ветвь морфологической классификации галактик, SB-ветвь (внизу справа на рис. 1.1), на самом деле не являются пожизненным атрибутом галактики: в ходе вековой эволюции они могут возникать, потом рассасываться, потом возникать снова. Также вековая эволюция может изменять соотношение размеров балджа и диска в галактике и даже менять ее морфологический тип.
Спектрофотометрическая эволюция галактик - т. е. эволюция их светимости, цвета и спектра - определяется суммарным эффектом эволюции составляющих ее звезд. При наблюдениях мы можем разрешить на отдельные звезды только самые близкие к нам галактики; для подавляющего же большинства галактик доступны измерениям только интегральные потоки - сумма излучений всех звезд, составляющих данную галактику или данную область галактики.
Простейшим аналогом галактик как звездных систем являются звездные скопления, которые состоят из звезд одного возраста и одного химического состава, но разной массы. Галактика же в общем случае состоит из многих поколений звезд, т. е. как бы представляет собой сумму гиперскоплений разных возрастов; в самосогласованной (идеальной) модели и металличность поколений должна быть разной в соответствии с ходом химической эволюции в галактике. На деле же пока более успешными, в плане сравнения с наблюдениями, являются модели звездных населений галактик с единым химическим составом для всех звезд - химическим составом, вероятно, соответствующим среднему, взвешенному по светимости звезд, обилию элементов в звездах галактики.
Спектрофотометрические модели галактик строятся численным интегрированием (сложением) спектров звезд, которые, в свою очередь, берутся из хорошо разработанной теории эволюции звезд. Определяющими параметрами эволюционных треков звезд на диаграмме Герцшпрунга - Рассела служат масса и металличность звезды, поэтому интегрирование проводится по массам и возрастам звезд, а металличность фиксируется как параметр модели галактики. При этом, конечно, надо знать или задавать из априорных предположений распределения звезд в галактике по массам и возрастам. В самом простом случае предполагается, что в определенный момент времени образовался некий конгломерат звезд разных масс, но одинаковой металличности, и дальше он спокойно эволюционировал без добавления туда новых звезд. Такой частный вариант модели еще называют «пассивной эволюцией» и довольно успешно применяют его для описания эволюции эллиптических галактик. Расчеты показывают, что пассивно эволюционирующая система звезд с возрастом тускнеет и краснеет, поскольку наиболее массивные, яркие голубые звезды заканчивают свой жизненный путь раньше, чем менее массивные. К возрасту около 10 млрд лет такая звездная система уже состоит только из звезд, менее массивных, чем Солнце, и ее спектрофотометрическая эволюция сильно замедляется. Поэтому эллиптические галактики на красных смещениях z = 0 и z = 0,5 выглядят совершенно одинаковыми, хотя более далекие из них - на z = 0,5 - в среднем на 3–5 млрд лет моложе. А вот если в галактике в середине или на любом другом промежуточном этапе ее жизненного пути образовывались новые молодые звезды, то она в этот момент «омолаживалась», т. е. ярчала и голубела, и дальше эволюция должна была пойти уже немного по-другому, в частности - в более резвом темпе.
Если коротко охарактеризовать самые общие впечатления от современных цветов и светимостей близких галактик, то они хорошо описываются моделями, в которых практически все галактики - старые, т. е. первая вспышка звездообразования состоялась более 10 млрд лет назад, а дальше - чем более ранний морфологический тип у галактики, тем меньше было характерное время затухания ее глобального звездообразования. В эллиптических галактиках все должно было закончиться менее, чем за 1 млрд лет, а в Sc-галактиках звездообразование тлеет примерно на постоянном уровне все время ее жизни. В неправильных и карликовых галактиках вообще предполагается «вспышечный», т. е. сильно неравномерный ход глобального звездообразования.
Химическая эволюция галактик - это история происхождения химических элементов. Согласно современным представлениям, только самые легкие элементы - водород и его изотопы, гелий и литий - образовались в Большом взрыве, в первые несколько минут жизни Вселенной. Все остальные элементы образуются в звездах в процессе их эволюции, в ходе термоядерных реакций. Различают несколько классов ядерных реакций, характерных для звезд различных масс в разные периоды их жизни: протон-протонную цепочку, CNO-цикл, горение гелия, горение углерода, s-процессы, г-процессы и т. д. (Звезды, 2013). Мнения теоретиков о вкладе тех или иных реакций в производство каждого конкретного химического элемента еще окончательно не устоялись. Однако те, кто моделирует химическую эволюцию галактик, смело берут «state-of-art», т. е. самые свежие расчеты звездного нуклеосинтеза, а далее интегрируют производство химических элементов по времени и по массам звезд точно так же, как при спектрофотометрическом моделировании интегрировали светимости звезд. Параметры модели, соответственно, те же самые - начальное распределение звезд по массам и история звездообразования в галактике, плюс теория звездного нуклеосинтеза, которая на данный момент считается заданной.
В астрономии все элементы тяжелее гелия традиционно называют «металлами», в этом мы терминологически расходимся с химиками. Поскольку металлы в звездах синтезируются, но практически не разрушаются, металличность галактики со временем всегда возрастает, но с какой скоростью и по какому закону - это уже зависит от деталей модели. В области химической эволюции галактик у исследователей есть мощный эталон, которого нет в области спектрофотометрической эволюции, - это наша собственная Галактика. Посмотреть на нее со стороны и измерить светимость мы не можем, а вот измерить химический состав отдельных звезд - можем. Химический состав звезд Галактики уже давно исследуется в массовом порядке, есть хорошая статистика, но нельзя сказать, что она сильно проясняет ситуацию. Вроде бы самые первые звезды должны образовываться из первичного газа, не прошедшего еще через цепь термоядерных реакций в недрах звезд, а потому имеющего нулевую металличность. Однако в нашей Галактике пока не найдено ни одной звезды с нулевой металличностью. Куда же делись маломассивные долгоживущие первичные звезды с нулевой металличностью? Или откуда взялся ненулевой уровень начальной металличности в нашей Галактике? Вроде бы металличность газа и соответственно звезд, из него образующихся, должна монотонно возрастать со временем, но в диске Галактики до сих пор не найдено убедительной антикорреляции металличности звезд с их возрастом. Возраст Солнца - не менее 4,5 млрд лет, но современная металличность межзвездной среды очень близка к солнечной. Чем объяснить практически нулевой темп обогащения металлами межзвездной среды галактического диска?
А наблюдательная техника продолжает развиваться. Сейчас уже в звездах измеряют детальный химический состав - не общую металличность, а содержание отдельно железа, кислорода, магния, кальция и т. д. Соответственно, и от современной теории химической эволюции галактик теперь уже требуются сценарии, объясняющие не только общую металличность, но и соотношение содержаний отдельных химических элементов на каждом этапе эволюции и в разных типах галактик. Нельзя сказать, что задачи теории химической эволюции упрощаются со временем - а мы и прежние еще не решили...
1.3. Два способа изучать эволюцию, или Что мы знаем про далекие галактики
Чтобы наполнить картину эволюции галактик конкретным содержанием и выстроить последовательность и значимость различных возможных эволюционных этапов и механизмов, необходимы наблюдательные данные. Их можно получать двумя принципиально разными способами. Во-первых, можно подробно изучать строение и характеристики близких галактик и строить физические модели эволюции, которые на финальной стадии, к моменту нулевого красного смещения, дают именно такие объекты, какие мы видим рядом с собой, полностью похожие по динамике, структуре и характеристикам звездного населения. А во-вторых, учитывая колоссальную проницающую силу современных больших телескопов, можно заглядывать напрямую на большие красные смещения - там мы видим галактики, какими они были несколько миллиардов лет назад. Ведь скорость света конечна, и с очень далеких расстояний свет может идти от галактики до нас миллиарды лет.
Рис. 1.4. Схема, связывающая наблюдаемое красное смещение галактики (горизонтальная ось ) с возрастом Вселенной в тот момент, когда наблюдаемая нами галактика излучила принятый в наши дни от нее свет (вертикальная ось ). Расчет сделан в рамках общепринятой сейчас космологической модели, параметры которой указаны в нижнем левом углу
На рис. 1.4 представлена связь красного смещения, на котором наблюдается галактика, и времени, прошедшего для нее от рождения Вселенной, т. е. от Большого взрыва до момента испускания галактикой тех квантов, которые мы сейчас принимаем. Для расчета графика на рис. 1.4 использована самая популярная современная космологическая модель - с темной материей и темной энергией. Именно космологическая модель определяет геометрию Вселенной, шкалу расстояний и, соответственно, время, которое требуется лучу света, чтобы дойти от галактики на красном смещении z до нас, находящихся на z = 0. Из рис. 1.4 видно, что когда мы наблюдаем галактику на красном смещении z = 1, мы ее видим такой, какой она была 8 млрд лет назад. А на красном смещении z = 5, где сейчас идут самые массовые поиски и обзоры галактик, видна Вселенная всего через один миллиард лет после Большого взрыва. С современными наблюдательными средствами мы видим практически всю эволюцию Вселенной на просвет и, двигаясь по z , можем на прямую наблюдать эволюцию полного космического населения галактик.
Первый подход, когда мы изучаем в деталях близкие галактики, хорош тем, что мы видим в галактиках всё и с большой точностью измеряем все характеристики галактик. Ограничения первого подхода тоже ясны: мы можем заложить в модели только ту физику, которую уже знаем, а если в эволюции галактик есть то, чего мы себе пока не представляем, оно будет упущено, и модель получится неверной. Правда, тот факт, что модель неверна, мы рано или поздно обнаружим, когда появятся новые наблюдательные данные, которые в данную модель не укладываются. Второй подход, на первый взгляд, кажется более прямым: выстраивая наблюдаемые характеристики галактик вдоль красного смещения, мы вроде бы получаем временной ход их эволюции, не опирающийся на априорные модельные предположения. Однако когда работа в этом направлении пошла активно, выяснилось, что и тут все непросто.
Допустим, в каком-то диапазоне спектра - например, в дальнем инфракрасном диапазоне - обнаруживается совершенно новый вид галактик; к примеру, удалось определить их красное смещение, хотя и это не всегда возможно, и это красное смещение оказалось большим: мы видим ранний этап эволюции. Теперь надо понять: превратятся ли эти необычные галактики во что-то обычное к настоящей эпохе, к z = 0, и во что именно, или же с ходом эволюции исчезнут как класс, и мы не увидим рядом с нами их прямых потомков. Единственный известный пока нам способ сделать это, то есть выстроить наблюдаемые на разных красных смещениях совершенно разные по виду галактики в одну эволюционную цепочку, состоит в том, чтобы привлечь те самые физические модели эволюции, правильность которых еще никто не доказал. И все возвращается на круги своя.
Пока что чем больше наблюдательных данных о далеких галактиках собирается в копилках астрономов, тем менее ясной представляется общая картина. Есть и прямые противоречия: одни данные говорят за один сценарий эволюции, другие - за совершенно иной. Наука об эволюции галактик находится сейчас в том счастливом возрасте, когда фактов уже достаточно, чтобы было над чем поразмыслить, но полную картину еще предстоит построить.
Наиболее яркий пример прямого наблюдательного изучения эволюции галактик путем сопоставления их типичных характеристик на разных красных смещениях служит история исследования глубоких полей «Хаббла» (HDF, Hubble Deep Fields ) - то есть площадок неба, снятых космическим телескопом «Хаббл» с очень длинными экспозициями. Сейчас их уже несколько - Ультраглубокое поле «Хаббла» (2004), Крайне глубокое поле «Хаббла» (2012 г.), а началось все с двух небольших площадок - северной и южной. Северное глубокое поле «Хаббла» (HDF-N) было снято первым и на сегодняшний день исследовано досконально. Вся эта эпопея с глубокими полями «Хаббла» началась в 1994 году, когда после починки космического телескопа «Хаббл» (далее - HST) выяснилось, что теперь он может получать изображения с угловым разрешением 0,1″. Астрономам захотелось посмотреть с таким разрешением на очень далекие галактики; для этого нужно было получить очень глубокий снимок, т. е. снимок с очень большой экспозицией. В созвездии Большая Медведица была выбрана небольшая, всего 5,3 кв. минуты дуги, и на первый взгляд совершенно пустая площадка, и с прибором WFPC2 (Wide-Field Planetary Camera-2 ) она экспонировалась в течение 10 суток. Были получены снимки в четырех широких фотометрических полосах: использовались фильтры F300W, F450W, F555W и F814W, центрированные на длины волн, указанные в их именах (в нанометрах), и грубо соответствующие фотометрической системе Джонсона - Казинса, т. е. фильтрам U , B , V и I . Позднее площадку досняли с прибором NICMOS (Near-Infrared Camera and Multi-Object Spectrograph ) в фильтрах F110W (1,1 мкм, J ) и F160W (1,6 мкм, H ).
Таким образом, для всех объектов площадки были получены не только широкополосные цвета, но и грубое распределение энергии в спектре в диапазоне от 3000 до 16 000 Å. Какая в результате получилась картинка - можно увидеть на рис. 1.5. Предельная звездная величина, достигнутая в экспозиции HDF-N, V lim ≈ 30 m . Площадка располагается на высокой галактической широте, поэтому несомненных звезд на ней мало - всего 9; есть еще несколько десятков слабых точечных голубых объектов, которые могут оказаться старыми белыми карликами. Все остальные объекты площадки, а их около трех тысяч, - это галактики. Самой близкой к нам оказалась красивая эллиптическая галактика чуть выше центра кадра - ее красное смещение z
= 0,09. На каком красном смещении располагается самая далекая галактика в HDF-N, пока сказать трудно. Есть один объект, широкополосные цвета которого намекают на z
≈ 12, однако все попытки снять спектр галактики, чтобы найти в нем эмиссионную линию для спектрального подтверждения красного смещения по эффекту Доплера, потерпели неудачу - уж слишком слабый у нее блеск.
Рис. 1.5. Самое первое Глубокое поле «Хаббла» (HDF-N). Фото: NASA/ESA
Подавляющее большинство галактик, обнаруженных в HDF-N, находятся на красных смещениях меньше 1. Правда, надо иметь в виду: в основном это так называемые фотометрические красные смещения. Снять спектр галактики 25-й звездной величины, используя даже самые крупные наземные телескопы, - дело долгое, дорогое и трудное. Поэтому в поле HDF-N прямо измерили значения z только у 150 галактик из 3000, причем, естественно, у самых ярких. Для остальных моделировали цвета: распределения энергии в спектрах близких галактик сдвигали в красную сторону, «сворачивали» с кривыми реакции фильтров и смотрели, как меняется видимый цвет в зависимости от z . Совпал при каком-то конкретном красном смещении модельный цвет с наблюдаемым для некоей галактики - вот вам и фотометрическое z .
По всем 150 галактикам, у которых красное смещение измерено спектрально, калибровки фотометрических z
, естественно, были проверены; авторы методики уверяют, что точность фотометрических красных смещений, определенная как (z
ph − z
spec) / (1 + z
spec), лучше 5%. Среди того большинства галактик, у которых z
< 1, опять же большую часть представляют слабые голубые галактики с нерегулярной морфологией, и относительное количество таких галактик явно растет с z
. Однако на z
≤ 1 наблюдаются и яркие представители всех хаббловских морфологических типов. Например, в правом нижнем углу HDF-N(рис. 1.5) видна роскошная спиральная галактика, развернутая плашмя; ее красное смещение z
= 1,01. Статистический анализ показывает, что в интервале 1 > z
> 0 ни число, ни характерные светимости и размеры эллиптических и спиральных галактик не изменились: все крупные галактики, которых мы видим рядом с нами, уже сформировались к эпохе z
≈ 1, т. е. 8 млрд лет назад. Однако картина резко меняется на z
> 1,5: в HDF-N нет ни одной галактики с большим z
, которые имели бы правильную морфологию, а всего их там несколько десятков. Характерное изменение морфологии с z
можно проследить, например, на рис. 1.6 (взят из обзора Ferguson et al., 2000): галактики на z
> 2, как правило, «множественные», т. е. представляют собой скопления сгустков неправильной формы. Линейные размеры сгустков значительно меньше, чем типичные размеры современных галактик, - их диаметры меньше 1 кпк.
Рис. 1.6. Изменение морфологии типичной галактики с ростом красного смещения в Глубоком хаббловском поле. В каждой паре снимков левое изображение получено в оптическом диапазоне спектра, а правое - в ближней инфракрасной области на длине волны 2 мкм
Сторонники иерархической концепции, т. е. гипотезы формирования больших галактик путем слияния мелких фрагментов, обрадовались, решив, что в HDF-N напрямую виден этот процесс на красных смещениях z = 2 ÷ 3. Однако скептики тут же выдвинули свои возражения. Во-первых, существует космологическое ослабление поверхностной яркости - эффект Толмена, пропорциональный (1 + z ) 4 , - и значит, на больших красных смещениях мы можем не увидеть обычные диски галактик, а будем видеть только самые яркие области звездообразования в них; у современных молодых звездных комплексов как раз подходящие размеры. Во-вторых, на z > 2 в оптическую область спектра, где наблюдала WFPC2, из-за красного смещения попадает уже далекая ультрафиолетовая область спектра в собственной системе длин волн галактики, а ультрафиолетовая морфология галактики может сильно отличаться от оптической, опять же из-за очагов звездообразования. Последнее возражение удалось отчасти снять после того, как HDF-N отнаблюдали с прибором NICMOS на 1,1 мкм и 1,6 мкм и посмотрели уже на оптическую (в системе длин волн галактик) морфологию тех же самых далеких объектов; оказалось, что она качественно не отличается от морфологии, наблюдавшейся с WFPC2 (на рис. 1.6 слева - изображения галактик, полученные с WFPC2, а справа - полученные с NICMOS). Однако первое возражение пока еще никто не опроверг.
Вообще-то наблюдательные поиски галактик в процессе их формирования начались задолго до запуска космического телескопа «Хаббл». Еще в 1970-х годах усилиями сначала Пиблса и Патриджа, а потом Беатрис Тинсли, которая изобрела метод эволюционного спектрофотометрического моделирования, стал очень популярен такой образ новорожденной эллиптической галактики: «10 миллионов Туманностей Ориона». Действительно, цвета близких эллиптических галактик очень красные, и они свидетельствуют в пользу того, что все звездообразование в этих галактиках закончилось в первый миллиард лет их жизни. Между тем самые крупные из них содержат до 10 12 М ☉ звезд. Разделив одно на другое, получаем на заре формирования эллиптической галактики темп звездообразования (SFR, Star Formation Rate ) до 1000 М ☉ в год! Для сравнения - в современных крупных спиральных галактиках в среднем SFR ≈ 1М ☉ в год. Спектрофотометрические модели предсказывают, что при текущем SFR ≈ 1000 М ☉ в год галактика должна быть очень яркой - примерно как квазар, т. е. на 4 звездные величины ярче, чем сегодня, - а также голубой и с мощной эмиссионной линией водорода Lyα в спектре.
Вот таких «зверей» и искали весьма активно на небе в 1970–1980-е годы, сначала с фотографической техникой, а потом уже и с помощью ПЗС-приемников. К 1978 году был закончен первый глубокий подсчет галактик Крона: он считал их в двух фильтрах, голубом и красном, и обнаружил, что в B-лучах слабых галактик 23–24-й звездной величины гораздо больше, чем можно было предсказать, исходя из парадигмы пассивной эволюции, т. е. из предположения, что на любом z галактики такие же и в том же количестве, что и рядом с нами. Этот результат вдохновил Тинсли: она произвела необходимые модельные расчеты и объявила, что среди «избыточных» слабых голубых галактик Крона должно быть много далеких, на z > 3, эллиптических галактик в момент их основной эпохи звездообразования. Она не дожила до результатов массовой спектроскопии слабых голубых галактик; всем остальным заинтересованным исследователям эти результаты принесли разочарование: «избыточные» слабые голубые галактики оказались все на z < 1, с основной концентрацией между z = 0,5 и z = 0,8. Выше уже упоминалось, что на z = 0,8 ÷ 1 все спиральные и эллиптические галактики уже «на месте», т. е. их тогда было столько же, сколько и сейчас; так что слабые голубые галактики не могут быть их предшественниками. Вместе с тем они не могут иметь отношение и к современным неправильным галактикам (Irr) - их намного больше, они в среднем массивнее и имеют практически солнечный химический состав межзвездной среды, тогда как близкие Irr-галактики обеднены металлами. Что это за население и куда оно потом делось, почему мы не видим потомков слабых голубых галактик Крона рядом с нами - все эти проблемы до сих пор не решены, и нет даже разумных предположений на этот счет.
Первичные эллиптические галактики продолжали искать в глубоких обзорах, в основном ожидая от них яркую Lyα-эмиссию. Точность и глубина измерений с появлением новых детекторов всё улучшались, а первичные галактики всё не находились. К 1995 году, когда предел обнаружения оказался в несколько раз ниже теоретических ожиданий для молодых эллиптических галактик, был наконец сделан вывод, что по крайней мере до z ≈ 5 «первичных» галактик нет. Какие тому могут быть объяснения? Во-первых, пыль. После того как полный обзор неба сделал инфракрасный спутник IRAS, к концу 1980-х годов, уже все знали, что галактики с самым мощным в современную эпоху звездообразованием и соответственно с самой высокой болометрической светимостью в оптике и в ультрафиолете почти не видны. Их вспышки звездообразования полностью погружены в межзвездную пыль, и все ультрафиолетовое и видимое излучение молодых звезд не выходит из галактик наружу, а перехватывается пылью, которая сильно нагревается и очень ярко светит в инфракрасном диапазоне спектра.
Может быть, и первичные вспышки звездообразования на z = 4 ÷ 5 тоже заэкранированы пылью? Оппоненты возражали: если вспышка звездообразования первична, то металлов еще вовсе нет, звезды не успели их создать, а значит, не может быть и пыли. Но сейчас, измеряя эмиссионные линии различных элементов в спектрах квазаров на больших z , вплоть до z = 6,28, исследователи убедились, что на z = 5 ÷ 6 металлы уже были, и в оболочках квазаров металличность даже превосходит солнечную. Следовательно, пыль на этих красных смещениях тоже есть, и ее даже может быть много. Откуда все это там взялось - отдельный вопрос, но сам факт надежно установлен.
Однако кроме пыли существует и другое возможное объяснение отсутствия ярких «первичных» галактик, и оно особенно нравится космологам - сторонникам иерархической концепции формирования галактик. Что если первичные вспышки звездообразования происходили не в таких огромных конгломератах, как современные эллиптические галактики, а в относительно небольших облаках, 10 7 ÷ 10 8 М ☉ , и поначалу, на z = 5 ÷ 6, образовывались только карликовые галактики? Масштабы «сотни Орионов» выглядят уже достаточно скромно, и через всю Метагалактику мы их, конечно, не разглядим. Потом карлики в ходе динамической эволюции должны были многократно сливаться и к сегодняшнему дню собраться в массивные сфероидальные звездные системы. Эта альтернатива тоже дает решение проблемы отсутствия ярких первичных галактик - но способна ли она пройти и другие наблюдательные тесты?
Между прочим, сейчас уже нашли на z = 3 ÷ 7 целое население достаточно массивных (M ≥ 10 10 М ☉) галактик, предположительно переживающих свою первую серьезную эпоху звездообразования. Это так называемые Ly-break галактики (далее LBG): их нашли по голубому обрыву спектра за границей лаймановского континуума (в системе длин волн галактики). Дело в том, что если в галактике изначально много нейтрального водорода, как мы этого ожидаем для галактики, только-только приступившей к образованию звезд, то весь ее лаймановский континуум уйдет на ионизацию этого газа, и в спектре на волнах короче λ 0 = 912 Å ничего не останется. Рис. 1.7 иллюстрирует технику поиска LBG-галактик, в данном случае на z = 7: в фильтре i (λ c = 7500 Å) галактики не видно, а в фильтре J (11 000 Å) и в более красных она видна превосходно - значит, с большой долей вероятности это Ly-break галактика на z ≈ 7.
Рис. 1.7. Вверху - иллюстрация методики поиска далеких (Ly-break) галактик: Steidel (1999). Внизу - картина «проявления» далекой галактики при сдвиге полосы наблюдения в красную сторону. Из запасов NASA/ESA
В основном благодаря усилиям Чарльза Стейделя (Steidel, 1999) сейчас известно уже несколько тысяч таких объектов и подведены первые статистические итоги. Так, по своим свойствам, в том числе и по характерной светимости (а значит, скорее всего, и по массе), LBG-галактики на z = 3, z = 4 и z = 5 идентичны друг другу. Это означает, что процесс формирования звездного населения в этих галактиках был достаточно затяжным. В спектрах половины LBG-галактик вовсе не оказалось Lyα-эмиссии, а в остальных она весьма скромная; да и темпы звездообразования, оцененные по потоку в ультрафиолете (в системе галактики), оказались в среднем весьма умеренными, от 8 до 25 М ☉ / год, что согласуется с идеей о большой продолжительности у них эпохи звездообразования. Есть предположение, что LBG-галактики - это будущие балджи современных дисковых галактик ранних типов; впрочем, доказать это трудно. Любопытно, что после того как была оценена средняя плотность на небе пересчитанных на довольно больших площадях LBG-галактик, выяснилось, что в HDF-N количество LBG-галактик в несколько раз меньше среднеожидаемого (Steidel et al., 1996b). То есть в плане средней эволюции галактик на больших z Северное глубокое поле «Хаббла» оказалось совершенно нетипичным, что неудивительно, учитывая его малые размеры. Тогда насколько же репрезентативна статистика морфологических типов галактик, которую астрономы с энтузиазмом изучают по глубоким полям «Хаббла» в течение уже многих лет?!
Наша Галактика. Загадки Млечного пути
В какой-то степени мы знаем о далеких звездных системах больше, чем о нашей родной Галактике – Млечный Путь. Исследовать его структуру трудней, чем строение любых других галактик, потому как изучать ее приходится изнутри, и многое не так легко разглядеть. Межзвездные пылевые облака поглощают свет, излучаемый мириадами отдаленных звезд.
Только с развитием радиоастрономии и появлением инфракрасных телескопов ученые смогли понять, как устроена наша Галактика. Но многие детали остаются неясны и по сей день. Даже число звезд в Млечном Пути оценивается довольно приблизительно. Новейшие электронные справочники называют цифры от 100 до 300 миллиардов звезд.
Еще не так давно считалось, что у нашей Галактики имеются 4 больших рукава. Но в 2008 г. астрономы из Висконсинского университета опубликовали результаты обработки около 800 000 инфракрасных снимков, которые были сделаны космическим телескопом «Спитцер». Их анализ показал, что у Млечного Пути всего два рукава. Что до других рукавов, то они являются только узкими боковыми ответвлениями. Итак, Млечный Путь – это спиральная галактика с двумя рукавами. Следует отметить, у большинства известных нам спиральных галактик также только два рукава.
«Благодаря телескопу “Спитцер” мы имеем возможность заново переосмыслить структуру Млечного Пути, – подчеркнул астроном Роберт Бенджамин из Висконсинского университета, выступая на конференции Американского астрономического общества. – Мы уточняем наше представление о Галактике точно так же, как столетия назад первооткрыватели, совершая путешествия по земному шару, уточняли и переосмысливали прежние представления о том, как выглядит Земля».
С начала 90-х годов XX века, наблюдения, проводимые в инфракрасном диапазоне, все больше и больше меняют наши знания о структуре Млечного Пути, ведь инфракрасные телескопы дают возможность заглянуть сквозь газопылевые облака и увидеть то, что недоступно для обычных телескопов.
2004 год — возраст нашей Галактики был оценен в 13,6 миллиарда лет. Она возникла в скором времени после . Вначале это был диффузный газовый пузырь, содержавший в основном водород и гелий. Со временем он превратился в громадную спиральную галактику, в которой мы сейчас живем.
Общая характеристика
Но как протекала эволюция нашей Галактики? Как она формировалась – медленно или, напротив, очень быстро? Как она насыщалась тяжелыми элементами? Как изменялись за миллиарды лет форма Млечного Пути и его химический состав? Подробные ответы на эти вопросы еще предстоит дать ученым.
Протяженность нашей Галактики составляет около 100 000 световых лет, а средняя толщина галактического диска – около 3 000 световых лет (толщина выпуклой его части – балджа – достигает 16 000 световых лет). Впрочем, в 2008 г. австралийский астроном Брайан Генслер, проанализировав результаты наблюдений за пульсарами, предположил, что, вероятно, галактический диск в два раза толще, чем принято считать.
Велика или мала наша Галактика по космическим меркам? Для сравнения: протяженность туманности Андромеды, ближайшей к нам крупной галактики, составляет приблизительно 150 000 световых лет.
В конце 2008 г. исследователи установили методами радиоастрономии, что Млечный Путь вращается быстрей, чем предполагали ранее. Судя по этому показателю, его масса приблизительно в полтора раза выше, чем принято было считать. По разным оценкам, она варьируется от 1,0 до 1,9 триллиона солнечных масс. Опять же для сравнения: массу туманности Андромеды оценивают самое меньшее в 1,2 триллиона солнечных масс.
Строение галактик
Черная дыра
Итак, Млечный Путь не уступает по размерам туманности Андромеды. «Нам не следует больше относиться к нашей Галактике как к младшей сестре туманности Андромеды», – отметил астроном Марк Рейд из Смитсоновского центра астрофизики при Гарвардском университете. В то же время, поскольку масса нашей Галактике больше, чем предполагалось, сила ее притяжения также выше, а значит, возрастает и вероятность ее столкновения с другими галактиками, находящимися поблизости от нас.
Нашу Галактику окружает шаровидное гало, достигающее в поперечнике 165 000 световых лет. Астрономы порой называют гало «галактической атмосферой». Оно содержит примерно 150 шаровых скоплений, а также небольшое количество древних звезд. Все остальное пространство гало заполнено разреженным газом, а также темным веществом. Массу последнего оценивают приблизительно в триллион солнечных масс.
В спиральных рукавах Млечного Пути содержится огромное количество водорода. Именно здесь продолжают зарождаться звезды. Со временем молодые звезды покидают рукава галактик и «переселяются» в галактический диск. Впрочем, самые массивные и яркие звезды живут довольно недолго, потому не успевают удалиться от места своего рождения. Неслучайно рукава нашей Галактики так ярко светятся. Большая же часть Млечного Пути состоит из небольших, не очень массивных звезд.
Центральная часть Млечного Пути располагается в созвездии Стрельца. Эта область окружена темными газопылевыми облаками, за которыми нельзя ничего увидеть. Только начиная с 1950-х годов, используя средства радиоастрономии, ученые смогли постепенно рассмотреть то, что таится там. В этой части Галактики был обнаружен мощный радиоисточник, получивший название Стрелец А. Как показали наблюдения, здесь сосредоточена масса, превосходящая массу Солнца в несколько миллионов раз. Самое приемлемое объяснение этого факта возможно только одно: в центре нашей Галактики находится .
Сейчас она по каким-то причинам устроила себе передышку и не проявляет особой активности. Приток вещества сюда очень скуден. Может быть, со временем у черной дыры пробудится аппетит. Тогда она снова начнет поглощать окружившую ее пелену газа и пыли, и Млечный Путь пополнит список активных галактик. Возможно, что перед этим в центре Галактики начнут бурно зарождаться звезды. Подобные процессы, вероятно, регулярно повторяются.
2010 год — американские астрономы при помощи Космического телескопа имени Ферми, предназначенного для наблюдения за источниками гамма-излучения, обнаружили в нашей Галактике две загадочные структуры – два громадных пузыря, испускающих гамма-излучение. Диаметр каждого из них составляет в среднем 25 000 световых лет. Они разлетаются из центра Галактики в северном и южном направлениях. Может быть, речь идет о потоках частиц, которые испустила некогда черная дыра, находящаяся посредине Галактики. Другие исследователи считают, что речь идет о газовых облаках, взорвавшихся при зарождении звезд.
Вокруг Млечного Пути расположены несколько карликовых галактик. Самые известные из них – Большое и Малое Магеллановы Облака, которые связаны с Млечным Путем своего рода водородным мостом, огромным шлейфом газа, что тянется за этими галактиками. Он получил название «Магелланова потока». Его протяженность составляет около 300 000 световых лет. Наша Галактика постоянно поглощает ближайшие к ней карликовые галактики, в частности, галактику Сагитариуса, которая расположена на расстоянии 50 000 световых лет от галактического центра.
Остается добавить, что Млечный Путь и туманность Андромеды движутся навстречу друг другу. Предположительно через 3 миллиарда лет обе галактики сольются воедино, образовав более крупную эллиптическую галактику, которую уже назвали «Млечномедой».
Происхождение Млечного пути
Туманность Андромеды
На протяжении долгого времени считалось, что Млечный Путь формировался постепенно. 1962 год — Олин Эгген, Дональд Линден-Белл и Аллан Сендедж предложили гипотезу, которая стала известна, как модель ELS (ее назвали по начальным буквам их фамилий). Согласно ей, на месте Млечного Пути когда-то медленно вращалось однородное облако газа. Оно напоминало шар и достигало в поперечнике приблизительно 300 000 световых лет, а состояло в основном из водорода и гелия. Под действием гравитации протогалактика сжалась и стала плоской; при этом ее вращение заметно ускорилось.
Почти два десятка лет такая модель устраивала ученых. Но новые результаты наблюдений показали, что Млечный Путь не мог возникнуть так, как ему предписали теоретики.
Согласно этой модели, сначала образуется гало, а потом – галактический диск. Но в диске также встречаются очень древние звезды, к примеру, красный гигант Арктур, чей возраст больше 10-ти миллиардов лет, или многочисленные белые карлики того же возраста.
И в галактическом диске, и в гало обнаружены шаровые скопления, которые моложе, чем допускает модель ELS. Очевидно, они поглощены нашей Галактикой поздней.
Многие звезды в гало вращаются в другом направлении, нежели Млечный Путь. Может быть, они тоже находились когда-то за пределами Галактики, но потом были втянуты в этот «звездный вихрь» – словно случайный пловец в водоворот.
1978 год — Леонард Сирл и Роберт Цинн предложили свою модель становления Млечного Пути. Ее обозначили как «модель SZ». Теперь история Галактики заметно усложнилась. Еще не так давно ее молодость, в представлении астрономов, описывалась столь же просто, как во мнении физиков – прямолинейное поступательное движение. Механика происходящего была отчетливо видна: имелось однородное облако; оно состояло только из равномерно разлившегося газа. Ничто своим присутствием не усложняло расчеты теоретиков.
Теперь вместо одного огромного облака в видениях ученых возникли сразу несколько небольших, причудливо разбросанных облаков. Среди них виднелись и звезды; правда, они были расположены только в гало. Внутри гало все бурлило: облака сталкивались; газовые массы перемешивались и уплотнялись. С течением времени из этой смеси образовался галактический диск. В нем начали возникать новые звезды. Но и эту модель впоследствии раскритиковали.
Нельзя было понять, что связывало гало и галактический диск. Этот сгущавшийся диск и реденькая звездная оболочка вокруг него имели мало общего. Уже после того, как Сирл и Цинн составили свою модель, выяснилось, что гало вращается слишком медленно, чтобы из него образовался галактический диск. Судя по распределению химических элементов, последний возник из протогалактического газа. Наконец, момент количества движения диска оказался в 10 раз выше, чем гало.
Весь секрет в том, что обе модели содержат зерно истины. Вся беда в том, что они слишком простые и односторонние. Обе они кажутся теперь фрагментами одного и того же рецепта, по которому был сотворен Млечный Путь. Эгген и его коллеги прочитали несколько одних строк из этого рецепта, Сирл и Цинн – несколько других. Потому, пытаясь заново представить историю нашей Галактики, мы то и дело замечаем знакомые, уже читанные однажды строки.
Млечный путь. Компьютерная модель
Итак, все началось в скором времени после Большого взрыва. «Сегодня принято полагать, что флуктуации плотности темного вещества породили первые структуры – так называемые темные гало. Благодаря силе гравитации эти структуры не распадались», – отмечает немецкий астроном Андреас Буркерт, автор новой модели рождения Галактики.
Темные гало стали зародышами – ядрами – будущих галактик. Вокруг них под воздействием гравитации скапливался газ. Происходил однородный коллапс, как описывает его модель ELS. Уже спустя 500-1000 миллионов лет после Большого взрыва газовые скопления, окружавшие темные гало, стали «инкубаторами» звезд. Здесь появились небольшие протогалактики. В плотных облаках газа возникли первые шаровые скопления, ведь звезды здесь рождались в сотни раз чаще, чем где-либо еще. Протогалактики сталкивались и сливались друг с другом – так образовались крупные галактики, в том числе наш Млечный Путь. Сегодня он окружен темным веществом и гало, состоящим из одиночных звезд и их шаровых скоплений, этими руинами мироздания, чей возраст превышает 12 миллиардов лет.
В протогалактиках было много очень массивных звезд. Не прошло и нескольких десятков миллионов лет, как большинство из них взорвалось. Эти взрывы обогатили облака газа тяжелыми химическими элементами. Потому в галактическом диске рождались не такие звезды, как в гало, – они содержали в сотни раз больше металлов. Кроме этого, эти взрывы породили мощные галактические вихри, которые разогревали газ и выметали его за пределы протогалактик. Произошло разделение газовых масс и темного вещества. Это была важнейшая стадия формирования галактик, не учтенная прежде ни в одной модели.
Вместе с этим темные гало все чаще сталкивались друг с другом. Причем протогалактики вытягивались или распадались. Об этих катастрофах напоминают цепочки звезд, сохранившиеся в гало Млечного Пути со времен «юности». Изучая их расположение, возможно оценить события, которые происходили в ту эпоху. Постепенно из этих звезд образовалась обширная сфера – видимое нами гало. По мере остывания внутрь него проникали газовые облака. Их момент количества движения сохранялся, потому они не сжались в одну-единственную точку, а образовали вращающийся диск. Все это произошло более 12 миллиардов лет назад. Теперь газ сжимался так, как было описано в модели ELS.
В это время образуется и «балдж» Млечного Пути – его срединная часть, напоминающая эллипсоид. Балдж состоит из очень старых звезд. Вероятно, он возник при слиянии самых крупных протогалактик, дольше всего удерживавших газовые облака. Посреди него оказались нейтронные звезды и крохотные черные дыры – реликты взорвавшихся сверхновых звезд. Они сливались друг с другом, попутно поглощая потоки газа. Может быть, так зародилась огромная черная дыра, пребывающая ныне в центре нашей Галактики.
История Млечного Пути гораздо хаотичней, чем считали раньше. Наша родная Галактика, внушительная даже по космическим меркам, образовалась после череды ударов и слияний – после серии космических катастроф. Следы тех давних событий возможно обнаружить и сегодня.
Так, к примеру, не все звезды Млечного Пути обращаются вокруг галактического центра. Вероятно, за миллиарды лет своего существования наша Галактика «поглотила» немало попутчиков. Возраст каждой десятой звезды в галактическом гало – меньше 10-ти миллиардов лет. К тому времени Млечный Путь уже сформировался. Возможно, это – остатки захваченных некогда карликовых галактик. Группа английских ученых из Астрономического института (Кембридж) во главе с Джерардом Гилмором подсчитала, что Млечный Путь, очевидно, мог поглотить от 40 до 60 карликовых галактик типа Карина.
Кроме этого, Млечный Путь притягивает к себе огромные массы газа. Так, в 1958 г. нидерландские астрономы заметили в гало множество небольших пятен. На поверку они оказались газовыми облаками, которые состояли в основном из атомов водорода и мчались в сторону галактического диска.
Наша Галактика не умерит свой аппетит и впредь. Возможно, она поглотит ближайшие к нам карликовые галактики – Форнакс, Карину и, вероятно, Секстанс, а после сольется с туманностью Андромеды. Вокруг Млечного Пути – этого ненасытного «звездного каннибала» – станет еще пустынней.
На данный момент удовлетворительной теории возникновения и эволюции галактик не существует. Есть несколько конкурирующих гипотез, объясняющих это явление, но каждая имеет свои серьёзные проблемы. Согласно инфляционной гипотезе, после возникновения первых звёзд во Вселенной начался процесс гравитационного объединения их в скопления и далее в галактики. В последнее время эта теория поставлена под сомнение. Современные телескопы способны «заглянуть» так далеко, что видят объекты, существовавшие приблизительно через 400 тыс. лет после Большого взрыва. Обнаружилось, что и на тот момент уже существовали вполне сформировавшиеся галактики. Предполагается, что между возникновением первых звёзд и вышеуказанным периодом развития Вселенной прошло слишком мало времени, и согласно теории Большого взрыва, галактики сформироваться просто не успели бы.
Другая распространенная гипотеза заключается в том, что в вакууме постоянно происходят квантовые флуктуации. Происходили они и в самом начале существования Вселенной, когда шёл процесс инфляционного расширения Вселенной, расширения со сверхсветовой скоростью. Это значит, что расширялись и сами квантовые флуктуации, причем до размеров, возможно, во много-много раз превышающих свой начальный размер. Те из них, которые существовали в момент прекращения инфляции, остались «раздутыми» и таким образом оказались первыми тяготеющими неоднородностями во Вселенной. Получается, что у материи было порядка 400 тыс. лет на гравитационное сжатие вокруг этих неоднородностей и образование газовых туманностей. А далее начался процесс возникновения звёзд и превращения туманностей в галактики.
Астрономы связывают образование звезд с конденсацией в межзвездной среде диффузной разряженной газово-пылевой среды. В 1939 году было установлено, что источником звездной энергии является происходящий в недрах звезд термоядерный синтез. В их недрах четыре протона соединяются через ряд промежуточных этапов в одну альфачастицу (ядро гелия). Ежегодно в Галактике "умирает" по меньшей мере одна звезда, так как у нее иссякает запас ядерного топлива. Значит, для того, чтобы звездное племя не выродилось, необходимо, чтобы столько же звезд образовывалось в нашей Галактике. Для того, чтобы в течении длительного времени Галактика сохраняла неизменным распределение звезд по классам светимости, температуры, в т.ч. по спектральным классам, необходимо, чтобы в ней автоматически поддерживалось динамическое равновесие межу рождающимися и гибнущими звездами. В Галактике время жизни звезды с массой меньше солнечной больше, чем более крупной звезды, так как термоядерные процессы при большем давлении и более высокой температуре идут быстрее. Чем больше масса звезды, тем меньше она существует как звезда – тем меньше она живет.
Современная астрономия располагает большим количеством аргументов в пользу образования звезд путем конденсации облаков газово-пылевой межзвездной среды. Поэтому количество звезд в рукавах галактик больше, чем в межрукавных пространствах, да и свечение звезд в рукавах более яркое, там нередко происходят вспышки сверхновых звезд. Предполагается, что вспышка сверхновой связана с тем, что на ней начинает "гореть" гелий, в результате термоядерного синтеза из ядер гелия образуются ядра углерода. При гелиевой реакции термоядерной энергии выделяется больше, чем при водородной. Такая звезда буквально взрывается, сбрасывая с себя часть атмосферы, состоящую из водорода.
Чтобы пройти самую раннюю стадию эволюции, протозвездам нужно сравнительно немного времени. Если, например, масса протозвезды больше солнечной, нужно всего лишь несколько миллионов лет, а если меньше, то несколько сотен миллионов лет. Так как время эволюции протозвезд сравнительно невелико, эту самую раннюю фазу развития звезд обнаружить очень трудно. На этой первой стадии эволюции протозвезда собирает газообразный водород и пыль из галактических облаков, отчего масса ее увеличивается, водородная атмосфера становится все более мощной, давление в нижнем слое атмосферы протозвезды растет. Наконец, давление атмосферы и ее температура на протозвезде становятся такими, что начинается термоядерная реакция синтеза гелия из водорода. В этот момент протозвезда превращается в звезду. Она перестает сжиматься, хотя и продолжает захватывать водород из галактических облаков. Ее объем и излучение поддерживается термоядерными реакциями, идущими в нижних областях атмосферы.
Время равновесного свечения звезды определяется ее первоначальной массой и поступлением водорода из окружающего пространства. Если поступление водорода на звезду увеличивается, то она разгорается ярче, если поток водорода снижается, то свечение звезды уменьшается вплоть до полного прекращения, при этом звезда затухает. Но если поступление водорода снова увеличивается, то звезда может вспыхнуть вновь, в ее атмосфере снова идет синтез гелия, который накапливается в нижних слоях атмосферы звезды. Если ядер гелия накопится очень много, то давление и температура в нижнем слое гелиевой атмосферы достигнут такой величины, что начнется синтез ядер углерода из ядер гелия. При этом энергии выделится столько, что произойдет взрыв, переход звезды с водородного топлива на гелиевое вызовет вспышку сверхновой. При этом значительное количество водорода быдет выброшено в окружающее пространство. Вокруг гелиевой звезды образуется сферическое облако – пузырь, в центре которого будет излучать энергию яркая гелиевая звезда.
Выгорание водорода происходит, а приток его ослабляется, так как звезда попадает в межрукавное пространство галактики. Рано или поздно при недостаточном поступлении извне водород на звезде почти весь выгорит, вернее, его останется еще много, но давление и температура в зоне термоядерной реакции снизится, и реакция прекратится. В этом случае звезда попросту потухнет. Остывающая атмосфера при этом начнет сжиматься под действием сил гравитации, не уравновешенных выделением тепловой энергии. При сжатии температура оставшегося водорода и гелия будет повышаться, образуется очень плотная горячая область, состоящая из гелия с небольшой примесью более тяжелых элементов. В этой плотной горячей области ядерные реакции происходить не будут, но они будут довольно интенсивно протекать на периферии ядра звезды – в сравнительно тонком слое. Светимость звезды и ее размеры снова начнут расти. Звезда при этом как бы разбухнет и начнет превращаться в красного гиганта.
После того как температура сжимающегося плотного гелиевого ядра звезды красного гиганта достигнет 100–150 млн. градусов Кельвина, там начнет идти новая ядерная реакция: образование ядра углерода из трех ядер гелия. Как только начнется эта реакция, сжатие атмосферы звезды снова прекратится.
При взрыве звезда сбрасывает значительную часть своей атмосферы; этот процесс называется образованием планетарных туманностей. Когда отделится наружная оболочка звезды, обнажаются ее внутренние, очень горячие слои. При этом сброшенная оболочка будет расширятся, все дальше и дальше улетая от звезды. Такие явления обнаружены в Космосе и запечатлены на фотографиях.
Мощное ультрафиолетовое излучение звезды – ядра планетарной туманности будет ионизировать атомы в сброшенной оболочке, возбуждая их свечение. Спектр этого свечения связан с атомарным составом планетарной туманности. Через несколько десятков тысяч лет оболочка вокруг звезды рассеется, и останется только небольшая очень горячая плотная звезда. Постепенно, медленно остывая, она превратится в белого карлика, а тот в конце концов станет чёрным карликом – суперпланетой с очень высокой плотностью. Чёрные карлики – это "мертвые", остывшие тела очень большой плотности, они в миллионы раз плотнее воды. Их размеры могут быть меньше размеров земного шара, хотя массы их сравнимы с солнечной массой. Процесс остывания белых карликов длится многие сотни миллионов лет. Так, по-видимому, умирает большинство звезд.
Таким образом, белые карлики как бы вызревают внутри звезд красных гигантов и появляются на свет после отделения наружных слоев атмосферы гигантских красных звезд. В других случаях сбрасывание наружных слоев может происходить не путем образования планетарных туманностей, а путем постепенного истечения атомов. Так или иначе белые карлики, в которых ядерные реакции синтеза гелия из водорода прекратились, светят за счет реакции синтеза углерода из гелия. Белые карлики постепенно снижают свечение по мере израсходования запасов гелия и переходят в состояние невидимых черных карликов. Дело в том, что в пространстве галактик гелиевые звезды не могут пополнить запас своего ядерного топлива – гелия. Там его просто нет или есть очень и очень мало.
Процесс образования звезд из межзвездной газово-пылевой среды происходил и в нашей Галактике, он происходит непрерывно.
В процессе эволюции звезда возвращает в межзвездное пространство значительную часть своей массы, сначала в виде излучения и звездного ветра из горячей плазмы, а затем в результате образования планетной туманности. Из материи, в том числе из плазмы и газа, выброшенного звездой, в Космосе снова будут образовываться новые молодые звезды, которые в свою очередь будут проходить те же стадии развития и превращаться в черных карликов. Одним словом, через звезды в галактиках осуществляется круговорот материи – вещества и энергии.
К проблеме эволюции галактик ученые начали серьезно подходить в середине 40-х годов ХХ века. Эти годы ознаменовались рядом важных открытий в звездной астрономии. Удалось выяснить, что среди звездных скоплений, рассеянных и шаровых, имеются молодые и старые, и ученые даже смогли оценить их возраст. Нужно было произвести своеобразную перепись населения в галактиках разных типов и сравнить результаты. В каких галактиках (эллиптических или спиральных), в каких классах галактик преобладают более молодые или более старые звезды. Такое исследование дало бы ясное указание на направление эволюции галактик, позволило бы выяснить эволюционный смысл классификации галактик Хаббла.
Вот такие странные объекты иногда попадают в объектив Хаббла. Этот объект даже напоминает искусственную (техническую) конструкцию. На самом же деле это, скорее всего, нечто, образованное чёрной дырой, вокруг которой по одной круговой орбите в виде "хоровода" вращаются яркие звезды – они в своей совокупности образуют огненное кольцо, а две звезды с огромными скоростями вращаются вокруг нее по эллиптическим орбитам большего радиуса. При этом эти две звезды оставляют след из сорвавшегося из их атмосфер горячего газа или плазмы. |
Эллиптическая галактика ESO 325-G004 в скоплении галактик Abell_S740. |
Скопление галактик. На переднем плане система из трех гравитационно связанных взаиимодействующих (а скорее всего, столкнувшихся) галактик. От этой "трехядерной" галактики отходят два слабо изогнутых рукава. Думаю, что все галактики в этом скоплении гравитационно связаны друг с другом и образуют один из узлов в структуре Метагалактики. Но о строении и жизни Метагалактики на нашем сайте будет специальная глава и страница. |
Представить эту галактику как результат столкновения четырех галактик почти невозможно. Но если считать, что видимые галактики – это порождение гравитационно связанных друг с другом чёрных дыр, то можно считать, что такое сложное образование могло возникнуть в результате выбрасывания протозвезд из четырех чёрных дыр, связанных друг с другом в гравитационную систему. Каждая из этих чёрных дыр формирует свой спиральный диск. |
Но прежде астрономам надо было выяснить численное соотношение между разными типами галактик. Непосредственное изучение фотографий, полученных в обсерватории Маунт Вилсон, позволило Хабблу получить следующие результаты: эллиптических галактик – 23%, спиральных – 59%, спиральных с перемычкой (баром) – 15%, неправильных – 3%. Однако в 1948 г. астроном Ю.И. Ефремов обработал данные каталога галактик Шепли и Эймса и пришел к следующим выводам: эллиптические галактики в среднем на 4 звездные величины слабее спиральных по абсолютной величине. Среди них много галактик карликов. Если учесть это обстоятельство и сделать пересчет количества галактик в единице объема, то окажется, что эллиптических галактик примерно в 100 раз больше чем спиральных.
Большая часть спиральных галактик – это галактики гиганты, большинство эллиптических галактик – галактики карлики. Конечно, среди тех и других существует некий разброс в размерах, имеются эллиптические галактики гиганты и спиральные карлики, но тех и других очень мало.
В 1947 году Х. Шепли обратил внимание на то, что количество ярких сверхгигантов постепенно убывает по мере перехода от неправильных галактик к спиральным, а затем к эллиптическим. Получалось, что молодыми являлись именно неправильные галактики и галактики с сильно разветвленными ветвями. Шепли тогда же высказал мысль, что переход галактик из одного класса в другой происходит необязательно. Возможно, что галактики образовались все такими, какими мы их наблюдаем, а потом лишь медленно эволюционировали в направлении сглаживания и округления их форм. Однонаправленного изменения галактик, вероятно, не происходит.
Х. Шепли обратил внимание еще на одно важное обстоятельство. Двойные галактики – это не результат столкновения и захвата одной галактики другой. Нередко в таких парах сосуществуют спиральные галактики с эллиптическими. Такие галактические пары, по всей вероятности, вместе и возникли. В этом случае допустить, что они прошли существенно разный путь развития, нельзя.
В 1949 году Б.В. Кукаркин обратил внимание на существования не только парных галактик, но и скоплений галактик. Между тем, возраст скопления галактик, судя по данным небесной механики, не может превышать 10–12 млрд. лет. Таким образом, получалось, что в Метагалактике практически одновременно образовались галактики разных форм. Значит, переход каждой галактики за время ее существования из одного типа в другой совсем необязателен.
Возможные варианты динамики звезд в галактиках. В зависимости от размера протозвезды и плотности окружающего ее газового облака образуются звезды разного типа с разной судьбой. Собрав мощную атмосферу из водорода, звезда может стать гигантской звездой, которая резко переходит от водородного источника термоядерного синтеза к гелиевому, сбрасывая с себя оболочку неиспользованного водорода. Но может прийти к взрыву сверхновой через стадию красного гиганта. Возможен и третий тип динамики, когда водородная небольшая звезда попадает в плотное водородное облако и получает из него водородную подпитку, продляя свою жизнь. Фото с сайта: http://900igr.net |
В.Б. Куракин в 1949 г. обратил внимание на существование во Вселенной скоплений галактик. |
Скопления галактик – это гравитационно-связанные системы галактик, одни из самых больших структур во Вселенной. Размеры скоплений галактик могут достигать 10 триллионов световых лет. Скопления условно разделяются на два вида. Регулярные – скопления правильной сферической формы, в которых преобладают эллиптические и линзовидные галактики, с чётко выраженной центральной частью. В центрах таких скоплений расположены гигантские эллиптические галактики. Пример регулярного скопления – скопление за созвездием Волос Вероники. Иррегулярные – скопления без определённой формы, по количеству галактик уступающие регулярным. В скоплениях этого вида преобладают спиральные галактики. Пример – скопление за созвездием Девы. Массы скоплений превышают 10 триллиардов масс Солнца. |
Борис Васильевич Кукаркин (1909–1977) – советский астроном. Фото с сайта: http://space-memorial.narod.ru Эллиптическая галактика на фото справа имеет гигантские размеры. Между ней и наблюдателем расположилась сдвоенная небольшая спиральная галактика с двумя хорошо выраженными ядрами. В центре эллиптической галактики имеется обширное ядро. По всей вероятности, там есть и черная дыра, она концентрирует вокруг себя и поглощает газ. Однако этот объект не вращается и потому не имеет форму диска. Яркие и не очень яркие звезды на этом фото расположены в нашей Галактике. Звезды в эллиптической галактике неразличимы, а может, их там и нет вовсе. |
Космогонические концепции А.И. Лебединского и Л.Э. Гуревича
Создавая свою гипотезу, А.И. Лебединский исходил из следующих основных предположений: 1 – галактики образовались из разреженного диффузного вещества, заполнявшего (и заполняющего) Метагалактику; 2 – галактики возникали неодновременно, так что некоторые из них образовывались, когда другие уже существовали; 3 – условия в метагалактическом пространстве в период формирования галактик мало отличались от современных. Массу газа, из которой образовалась галактика, А.И. Лебединский назвал протогалактикой. Он полагал, что до начала сжатия состояние протогалактики было квазистатическим, то есть почти неизменным. Потом какие-то постепенные количественные изменения состояния протогалактики (например, увеличение плотности) привели к тому, что она начала сжиматься. Этому могли способствовать и потери энергии молекул газа при соударении с твердыми пылинками.
Дальше сжатие протогалактики происходит почти по Джинсу: первоначально сферическая туманность вращается и сплющивается, а сжимаясь, начинает вращаться все быстрее, что приводит к ее уплощению, притом ничем не ограниченному. Но протогалактика – это вовсе не эллиптическая туманность, так как в ней нет звезд, и мы не можем ее заметить.
Но вот на некоторой стадии сжатия и уплощения в протогалактике возникают сгущения, сначала большие, в тысячи световых лет диаметром, потом все более и более мелкие. Самые большие дадут потом начало звездным облакам, меньшие – звездным скоплениям, еще меньшие – звездам. Образование звезд происходит путем гравитационной конденсации. Звезды появляются в наиболее уплощенных спиральных галактиках. Спиральные ветви возникают потому, что в сильно уплощенных системах это энергетически выгодно. При малом уплощении – таком, как у эллиптических галактик, – формирование спиралей и звезд невозможно.
Астрофизик Александр Игнатьевич Лебединский. Фото с сайта: http://slovari.yandex.ru/ Теорию дальнейшей эволюции молодой спиральной галактики А.И. Лебединский разработал совместно с Л.Э. Гуревич. Они показали, что с образованием звезд в галактике начинается перераспределение момента количества движения, который выносится с небольшими массами наружу. Система разделяется на центральную часть, ядро и периферическую, сильно уплощенную часть. Дальше гравитационные взаимодействия звезд приводят к постепенному росту отклонения их движений от круговых и к раскачке их в направлении, перпендикулярном экватору галактики. Галактика продолжает сжиматься в направлении ее радиусов, но расширяется вдоль оси, отчего сплющенность ее несколько уменьшается. Происходит разбрасывание звезд из центральной части галактики во все стороны. При этом образуется сферическая подсистема. А в плоской подсистеме продолжается образование молодых звезд из диффузной материи. Гравитационные взаимодействия разрушат звездные скопления и ассоциации, потом распадутся звездные облака и спиральные ветви. Спиральная галактика, по Л.Э Гуревичу и А.И. Лебединскому, в конце эволюции должна превратится в эллиптическую. Ввиду исчерпания диффузной материи звездообразование должно прекратится. |
Эта теория объяснила многие проблемы – такие, как образование межзвездных магнитных полей и магнитных полей около звезд, процессы ускорения заряженных частиц, образование сложных элементов структуры. Космогоническая концепция А.И. Лебединского и Л.Э. Гуревича явилась важным этапом в развитии космогонии галактик, но и в ней есть слабые стороны. Во-первых, в ней постулировалось существование никем не наблюдавшихся (ни раньше, ни потом) протогалактик. Во-вторых, авторы гипотезы не дали объяснения спиральной структуре галактик, ограничившись замечанием об энергетической выгодности этой структуры. Обсуждение этого вопроса А.И. Лебединский обещал провести во второй части своей работы. Увы, ни он, не Л.Э. Гуревич так и не сделали этого, и вторая часть работы не была опубликована.
Работу над этой проблемой продолжил в 1958 году ленинградский теоретик Т.А. Агекян. Изучив эволюцию вращающихся систем взаимно притягивающихся тел, имеющих форму фигур равновесия, Т.А. Агекян учел возможность их диссипации, то есть покидания системы отдельными звездами.
Измеряя скорости удаления соседних звезд друг от друга, астрофизики установили, что звезды, входящие в одну группу, нередко движутся так, словно они были выброшены из одной точки космического пространства. Это вполне согласуется с моей гипотезой образования ядер звезд в результате взрывов в чёрных дырах. Собрав вокруг себя водородные атмосферы, эти фрагментарии вспыхивают новыми звездами. Совсем недавно астрономы Л.Э. Гуревич и А.И. Лебединский создали теорию образования так называемых новых звезд. До этого астрономы считали, что каждая звезда обязательно должны проходить через стадию «новой звезды» – вспыхнуть на короткое время необычайно ярко сверхновой. Согласно теории Л.Э. Гуревича и А.И. Лебединского, не всякая звезда может стать «сверхновой звездой». Для того чтобы звезда могла вспыхнуть, ее недра должны обладать очень большой температурой и давлением. Руководствуясь своей теорией, они предсказали вспышку «сверхновой звезды» в созвездии Северная Корона, и эта вспышка действительно произошла. Рисунок с сайта: http://russkoe-pervenstvo.narod.ru |
Лев Эммануилович Гуревич (1904–1990). Диапазон его творчества был очень широк: проблемы физической кинетики, молекулярной физики, физики плазмы. Фото с сайта: http://www.lomonosov-fund.ru/
Татеос Артемьевич Агекян (1913–2006). Советский астроном, заслуженный деятель науки Российской Федерации. |
Теория (гипотеза) Большого взрыва
Все гипотезы, пытающиеся объяснить происхождение галактик, в качестве аксиомы используют теорию Большого Взрыва, в результате которого образовалась Вселенная. Согласно этой теории, вся Вселенная образовалась в результате взрыва: вначале сформировался горячий "газ" из элементарных частиц, который, охлаждаясь при расширении Вселенной, образовывал структуры: атомные ядра, атомы, молекулы; облака этого газа потом сжимались под действием гравитации в галактики и звезды. На то, что из такой гипотезы Большого Взрыва следуют абсурдные выводы о конечности Вселенной, почему-то не обращают особого внимания. Похоже, что эта гипотеза, которую поспешили назвать теорией, просто ослепила умы большинства астрономов и астрофизиков.
Итак, что говорит гипотеза Большого взрыва. Во время эры излучения (согласно этой гипотезе, вначале был свет!) продолжалось стремительное расширение космической материи, состоящей из фотонов, среди которых встречались свободные протоны и электроны, и крайне редко – альфа частицы. Фотонов было в миллиард раз больше, чем протонов и электронов. В период эры излучения протоны и электроны в основном оставались без изменений, уменьшалась только их скорость. С фотонами дело обстояло намного сложнее. Хотя скорость их осталась прежней, в течении эры излучения гамма-фотоны постепенно превращались в фотоны рентгеновские, ультрафиолетовые и фотоны света. Вещество и фотоны к концу этой эры остыли настолько, что к каждому протону мог присоединится один электрон. При этом происходило излучение одного ультрафиолетового фотона или же нескольких фотонов видимого света. Так образовывался атом водорода и так возникла водородная Вселенная. Это была первая система частиц во Вселенной. С возникновением атомов водорода началась звездная эра – эра протонов и электронов.
Далее Вселенная вступила в звездную эру в форме водородного газа с огромным количеством световых и ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ расширялся в различных частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была и его плотность. Он образовывал огромные сгустки – во много миллионов световых лет. Масса таких космических водородных сгустков была в сотни тысяч, а то и в миллионы раз больше, чем масса нашей теперешней Галактики. Расширение газа внутри сгустков шло медленнее, чем расширение разреженного водорода между самими сгущениями. Позднее из отдельных участков с помощью собственного притяжения образовались сверхгалактики и скопления галактик. Таким образом, крупнейшие структурные единицы Вселенной – сверхгалактики – являются результатом неравномерного распределения водорода, которое происходило на ранних этапах истории Вселенной.
Колоссальные водородные сгущения – это зародыши скоплений галактик: они, согласно гипотезе, медленно вращались. Внутри них образовывались вихри, похожие на водовороты. Диаметр этих космических вихрей достигал примерно ста тысяч световых лет. Так образовались системы – протогалактики, т.е. зародыши галактик. Несмотря на свои невероятные размеры, вихри протогалактик были всего лишь ничтожной частью сверхгалактик и по размеру не превышали одну тысячную долю сверхгалактики. Сила гравитации образовывала из этих вихрей системы звезд, которые мы и называем галактиками.
Под действием силы тяготения вращающийся вихрь сжимался в шар или (от вращения) в несколько сплюснутый эллипсоид. Размеры такого правильного гигантского водородного облака были от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч световых лет. Если энергия сил гравитации, удерживавшей атом в протогалактике, на ее периферии превышала его кинетическую энергию, атом становился составной частью галактики, если нет, то покидал ее. Это условие называется критерием Джинса. С его помощью можно определить, в какой степени масса и величена протогалактики зависит от плотности и температуры водородного газа. Чем холоднее было облако, тем большее количество атомов оставалось в нем.
Протогалактика, которая не вращалась, становилась родоначальницей шаровой галактики. Сплющенные эллиптические галактики рождались из медленно вращающихся протогалактик. Из-за недостаточной центробежной силы в них преобладала сила гравитационная. Протогалактика сжималась, и плотность водорода в ней возрастала. Как только плотность достигала определенного уровня, начинали выделяться и сжиматься сгустки атомов водорода, из которых рождались протозвезды, которые позже эволюционировали в звезды. Рождение всех звезд в шаровой или слегка приплюснутой галактике происходило почти одновременно. Этот процесс продолжается относительно недолго, примерно сто миллионов лет. Это значит, что в эллиптических галактиках все звезды приблизительно одинакового возраста и очень старые. В эллиптических галактиках весь водород был исчерпан сразу же в самом начале звездообразования. На протяжении последующего времени звезды в эллиптических галактиках уже не могли возникать. Таким образом, в эллиптических галактиках количество межзвездного вещества должно быть ничтожно.
Спиральные галактики, согласно гипотезе Большого Взрыва, состоят из старой сферической составляющей (которая похожа на эллиптические галактики) и из более молодой плоской составляющей, в которую входят спиральные рукава. Между этими составляющими существует несколько переходных компонентов разного уровня сплюснутости, разного возраста и скорости вращения. Спиральные галактики вращаются значительно быстрее, чем галактики эллиптические, так как они образовались из быстро вращающихся вихрей в ранней Вселенной. Поэтому в создании спиральных галактик участвовали и гравитационная, и центробежная силы.
На каждый атом межзвездного газа действовали две силы – гравитация, притягивающая его к центру галактики, и центробежная сила, выталкивающая его по направлению от оси вращения. В конечном итоге газ сжимался по направлению к галактической плоскости. В настоящее время межзвездный газ сконцентрирован в галактической плоскости в весьма тонкий слой. Он сосредоточен прежде всего в спиральных рукавах и представляет собой плоскую, или промежуточную составляющую, названную "звездным населением второго типа". На каждом этапе сплющивания межзвездного газа во все более утончающемся диске рождались звезды.
Эта теория-гипотеза, на первый взгляд, выглядит весьма убедительно, особенно когда подкреплена изрядным колическтвом математических формул. Но дьявол, как водится, скрывается не в формулах, а в исходных допущениях, принимаемых в качестве аксиом. А одна из аксиом заключается в бездоказательном признании за факт предположения о том, что газовое облако начнет вращаться само по себе, и при этом еще сжиматься по направлению к центру. Гравитационное взаимодействие атомов водорода между собой так ничтожно, что они могут "слипнуться" в комок только при абсолютном нуле градусов Кельвина – т.е. при полном прекращении теплового движения. Для того, чтобы газ водород начал сжиматься, нужен мощный источник гравитации.
Гипотеза секулярной эволюции галактик
Необходимо пояснить значение термина «секуляризация». В первом приближении, секуляризазия – это отделение (разделение), приобретение независимости. Термин «секуляризация» был впервые использованв 1646 г. Лонгвилем во время переговоров, предшествовавших заключению Вестфальского мира, и означал возможность удовлетворения интересов победителей за счет конфискации монастырских владений. Секуляризация (отнятие) церковного имущества практиковалась европейскими монархами, а в России довольно широко использовалось Петром I и Екатериной II.
В XVII в. началась секуляризация науки от религии, был сформулирован принцип разделенности разума и веры, светского и духовного начал. Независимость светского начала наглядно проявляется не только в политической, научной мысли той эпохи, но и в этике, которую начинают рассматривать как светскую, а не религиозную науку. До сих пор с переменным успехом идет борьба за то, чтобы на деле отделить церковь от государства, а школу от церкви.
Эллиптические галактики, в отличие от спиральных, всегда считались однокомпонентными звездными системами. Все звезды эллиптической галактики вроде бы похожи друг на друга, имеют одинаковый возраст, одинаковую металличность и распределены в трехмерной сфероидальной структуре, которая в проекции на плоскость неба может иметь отношение видимых осей от 1: 1 до 1: 3. Вращается большинство эллиптических галактик медленно (по сравнению с дисковыми галактиками). Звезды в таких галактиках движутся хаотически, как пылинки в воздухе, когда нет ветра. Это доказывает высокая дисперсия их скоростей и направлений движения. Однако в последнее время обнаружились любопытные вещи.
В 1988 г. в некоторых эллиптических галактиках были обнаружены кинематически выделенные ядра, которые вращались значительно быстрее, чем вся галактика. В подавляющем большинстве эллиптических галактик умеренной светимости были зафиксированы «дискообразные» изофоты вокруг центральной части. Д. Бёрстейн по этому поводу сказал: «Внутри абсолютно всех эллиптических галактик есть маленькие диски». Обнаруженные в центрах эллиптических галактик диски выделяются и по их химическому составу – в них больше тяжелых атомов.
Спиральная галактика NGC 4826. По виду галактики никто не мог предположить, что внешний газ диска вращается навстречу звездам. Фото Дж. Глиссена (обсерватория Кит-Пик) взято с сайта: http://student.km.ru |
Гипотеза секулярной эволюции галактик утверждает, что газ «стекает» в центры галактик. Д. Фридли и В. Бенц (1993) считают, что если газ изначально вращался в ту же сторону, что и звезды, то это стимулирует звездообразование в ядре галактики, а если газ «контрвращался», то есть вращался навстречу звездам, то он в процессе стекания к центру выходит из плоскости галактики и стабилизируется во вращающемся, сильно наклоненном околоядерном кольце, не добираясь до самого центра галактики. Но откуда может взяться газ, вращающийся навстречу звездам? Астрономы считают, что поставка контрвращающегося газа возможна при медленном слиянии галактик. Например, происхождение толстого звездного диска в нашей Галактике связывают с малым слиянием – поглощением Галактикой своего спутника. Галактики с большими газовыми дисками, вращающимися противоположно вращению звезд, известны и в ближайших окрестностях нашей Местной Группы галактик, например, в спиральной галактике NGC 4826 весь газ дружно меняет направление вращения на расстоянии 1 кпк от центра. |
В пяти ближайших галактиках обнаружили внутренние полярные кольца из ионизованного газа: здесь в пределах нескольких сотен парсек от центра галактик газ вращается в плоскости, вообще перпендикулярной плоскости вращения звезд. Это совершенно неожиданное открытие.
По всей вероятности, шаровидные галактики – это самые молодые галактики. В них чёрная дыра в центре вращается еще очень медленно и она не увлекла в круговое движение окружающий ее газ и пыль, возможно оттого, что масса этой чёрной дыры недостаточно большая..
По мере того как центральное тяжелое ядро (черная дыра) в шаровидной галактике вбирает в себя пыль и водород, оно (она) начинает вращаться все быстрее и быстрее, увлекая в это вращение и все шарообразное облако, отчего облако начинает сплющиваться. При достижении критической массы чёрная дыра начинает выбрасывать фрагментарии – сгустки сверхплотного вещества, которые по инерции улетают от центра галактики и задерживаются на орбите вокруг него. При этом фрагментарии, обладая высокой гравитацией, собирают на себя часть газа и пыли из галактических рукавов. Некоторые из фрагментариев при этом становятся чёрными дырами, так как их масса и плотность очень велики. Другие становятся звездами, третьи – планетами и спутниками планет.
Представления о путях образования и эволюции галактик кардинально изменились за последние 20 лет. Астрономы и астрофизики поняли, что скорее всего, галактики «образуются», то есть формируются и меняют структуру на протяжении всей своей жизни. Прежде они считали, что галактики сначала образуются, а потом эволюционируют. Почему же так изменилась парадигма?
Пока астрономы не спеша наблюдали и изучали галактики, космологи из теоретических соображений пришли к выводу, что всю гравитацию и, следовательно, динамическую эволюцию Вселенной определяет небарионная холодная темная материя, которая начинает «кучковаться» под действием гравитационной неустойчивости, то есть распадаться на маленькие сгустки, которые потом сливаются в большие, затем в очень большие и так далее... А барионная фракция (газ, в основном водород), масса которой всего 10%, обязана следовать за темной материей и тоже фрагментировать и сливаться, сливаться, сливаться... Звезды же образуются «попутно», в процессе слияний структур. Таким образом, из недр космологических умозаключений вышла иерархическая концепция формирования галактик.
Ранние работы космологов утверждали, что первыми родились маленькие спиральные галактики, а гигантские эллиптические появились последними – не более 5 млрд. лет назад, в результате слияния малых спиральных галактик. В первый миллиард лет жизни Вселенной, образовавшейся в результате Большого Взрыва, могли образовываться галактики с массой не более 10 в 8-й степени М¤, в первые 6 млрд. лет жизни Вселенной образовались галактики с массой не более 10 в 10-й степени М¤, а все более массивные образовались еще раньше. Но наблюдатели с помощью новых гигантских телескопов нашли довольно много массивных галактик, с массой звездного вещества больше 10 в 11-й степени М¤, образовавшихся много раньше 6 млрд. лет назад. Оказалось, что население гигантских эллиптических галактик, как в скоплениях, так и в разреженных окрестностях, сформировалось ~ 8 млрд. лет назад. После этого космологи стали менее категоричными, но иерархическая концепция формирования галактик по-прежнему продолжает господствовать.
Галактика продолжает эволюционировать постоянно и под действием неустойчивостей, как порождаемых извне, гравитационным взаимодействием с соседями, так и под действием внутренних 4 факторов, присущих даже совершенно изолированным галактикам. Такая «спокойная» эволюция галактик на протяжении всей их жизни получила название секулярной. Хотя она и спокойная, но тоже может приводить к весьма существенным изменениям структуры.
Рассмотрим подробно основные механизмы структурной эволюции галактик: внутренние – гравитационные неустойчивости тонких холодных дисков (как звездных, так и газовых); внешние – приливные взаимодействия (по своей природе тоже гравитационные), большие и малые слияния.
В моделях Д. Фридли и В. Бенца (1993, 1995) имеется любопытная особенность: газ может достигнуть центра галактики только если он изначально вращался так же, как и звезды. А если газ вращается в другую сторону, то в процессе стекания к центру галактики он выходит из плоскости диска и образует устойчивое наклонное кольцо.
При близком взаимодействии галактик в них возникают приливные структуры – «мосты», «хвосты», протяженные спиральные рукава, «вытягиваемые» гравитацией возмущающего объекта из диска галактики, вовлеченной во взаимодействие. Выяснилось также, что внешнее гравитационное воздействие преобразует не только внешние части галактик: во внутренних областях диска возникает бар. Но в конце концов весь газ упадет в центр галактики, и при этом последует мощная вспышка звездообразования.
Если газовое протогалактическое облако эволюционирует в одиночестве, то из него может образоваться только дисковая галактика, так как в этом случае галактике некуда девать лишний момент вращения газа. Это было одной из самых серьезных проблем для классических теорий формирования галактик путем «монолитного коллапса», которые развивались в 1970-е годы.
При малых слияниях на большую дисковую галактику падает маленькая галактика – спутник с массой, например, 10% от массы большой галактики. Расчеты показывают, что при падении, даже под углом к плоскости основного диска, спутник, после нескольких ударов о него, теряет вертикальную составляющую момента движения, оседает в плоскость большого диска и начинает «спиралить» к его центру. В течение примерно 1 млрд. лет он достигает центра хозяйской галактики, потеряв в пути меньшую часть своего собственного вещества. А что же галактика-спутник приносит в центр? Большую часть своих звезд и газа, если изначально он у нее был. Если же изначально в малой галактике газа не было, все равно в результате столкновения она сильно возмутила газовый диск большой галактики, отчего усилилась турбулентность, и, следовательно, увеличилась вязкость в глобальном газовом диске. Возрастание вязкости означает интенсивное перераспределение момента вращения и снова стремительные радиальные течения газа к центру. Малые слияния тоже должны приводить к концентрации газа в ядре галактики и к последующей вспышке звездообразования.
Механизмы секулярной эволюции галактик приводят к концентрации газа в их центрах и, как следствие, к вероятной вспышке звездообразования в этих центрах. Образовавшиеся вновь в центре галактики звезды, скорее всего, распределятся в компактном околоядерным звездном диске. И если мы хотим найти в близких к нам галактиках последствия их секулярной эволюции, разумнее всего поискать в центрах этих галактик компактные звездные диски, отличающиеся от окружения (балджа, например) более молодым возрастом и большим содержанием металлов, поскольку образовались они позже из хорошо проэволюционировавшего вещества. Но первые впечатляющие открытия околоядерных звездных дисков были сделаны в эллиптических галактиках там, где их найти никто не ожидал.
Численное моделирование показывает, что за время порядка миллиарда лет большая часть газа эволюционирующего изолированного галактического диска скапливается в его центре, в пределах радиуса около 1 кпк, при этом в центре возникают большие плотности, и в них происходит бурное звездообразование.
Ядра в галактиках выделяются и химически – по увеличенному содержанию тяжелых атомов (Сильченко О.К., Афанасьев В.Л., Власюк В.В. Астрономический журнал, 1992, т. 69, с. 1121). В 7 из 12 изученных этими авторами галактик были обнаружены химически выделенные ядра. Среди этих галактик с химически выделенными ядрами была одна эллиптическая, три линзовидных и три спиральных галактики. Позже этим же авторам удалось обнаружить несколько десятков галактик с химически выделенными ядрами. Разница в средних возрастах ядер в галактиках в плотном и в разреженном окружении может быть объяснена тем, что в плотном окружении ядерная вспышка звездообразования протекала более эффективно и закончилась в более короткие сроки, чем в ядрах изолированных галактик.
Все механизмы секулярной эволюции галактик приводят к «стеканию» газа в центр галактики. А вот однозначно ли из этого следует вспышка звездообразования в центре галактики? Д. Фридли и В. Бенц (1993) отвечают: нет, только если газ изначально вращался в ту же сторону, что и звезды. А если газ «контрвращался», то есть вращался навстречу звездам, то он в процессе стекания к центру выходит из плоскости галактики и стабилизируется во вращающемся, сильно наклоненном околоядерном кольце, не добираясь до самого центра галактики.
Все динамические процессы перестройки галактик приводят к концентрации газа в их центре. Исследуя центральные области близких галактик, даже с помощью относительно скромных наблюдательных средств, которые пока еще доступны российским астрономам, можно восстановить полную эволюционную историю видимой материи во Вселенной и сказать, правы ли космологи, соорудившие такую красивую, но пока не вполне подтвержденную схему, как иерархическая концепция формирования галактик.
Гипотеза В.А. Амбарцумяна
В.А. Амбарцумян и его ученики показали, что звездообразование в галактиках продолжается и в наше время. Поэтому спиральные и неправильные галактики могут изобиловать молодыми звездами не потому, что эти галактики сами молоды, а потому, что в них имеются условия для звездообразования, тогда как в эллиптических галактиках они отсутствуют.
Б.В. Кукаркин заметил, что ни в одной эллиптической галактике, даже наиболее сжатой, не обнаружено сконцентрированного в экваториальной плоскости межзвездного диффузного вещества. Обнаруженные в них диффузные включения концентрируются к центру этих галактик. Наоборот, все спиральные галактики богаты сконцентрированным в экваториальной плоскости межзвездным диффузным веществом, которое особенно четко заметно, когда галактика видна с ребра.
Спиральные галактики бывают разные: большие и поменьше, а бывают и совсем маленькие (по космическим масштабам). Одни из них относительно нас, наблюдателей, закручены вправо, другие – влево. В галактиках есть ядра, рукава и межрукавные пространства. Состоят галактики из массивных космических тел – звезд, планет и чёрных дыр, а также облаков газа и пыли.
Кольцеобразная галактика – объект Хоага. На этой фотографии видно несколько галактик, находящихся значительно дальше объекта Хоага. Фото с сайта: http://kapuchin.livejournal.com/191347.html Ядро этой галактики скоро перестанет получать водород из пространства Метагалактики. Весь водород теперь перехватывает газо-пылевое кольцо, "напичканное" звездами, планетами и вторичными чёрными дырами. |
В 1950 г. Арт Хоаг обнаружил необычный внегалактический объект. В его внешней части находится кольцо, в котором преобладают яркие голубые звезды, а в центре находится шар из белых и желтых звезд. Между ними – пробел, который выглядит почти полностью темным. Объект Хоага имеет диаметр около 100 000 световых лет и находится от нас на расстоянии около 600 миллионов световых лет за созвездием Змеи. Сейчас обнаружено несколько подобных объектов, они считаются одной из форм кольцеобразных галактик. Причиной их появления могло быть столкновение галактик и возмущающее гравитационное воздействие на обычную спиральную галактику ядра с необычной формой и необычными свойствами. Фотография слева получена космическим телескопом Хаббл в 2001 г. (R. Lucas. Hubble Heritage Team, NASA). Можно предположить, что вначале эта галактика развивалась по обычному сценарию: чёрная дыра собрала вокруг себя огромное газовое облако, раскрутила его в спирали, затем из нее стали выбрасываться сгустки сверхплотного вещества – фрагментарии, которые вышли в конце концов на орбиту вокруг чёрноё дыры – центра Галактики. Но на каком-то этапе активность ядра этой галактики резко снизилась. Чёрная дыра в центре ее продолжала поглощать вещество, которое, прежде чем упасть в эту дыру и стать невидимым, излучает свет. А вот внешние рукава под действием притяжения "успокоившегося" ядра галактики образовали кольцо, в котором все еще видны следы былой спиральной структуры. По всей вероятности, это кольцо не падает на ядро потому, что очень быстро вращается вокруг ядра. Точнее, вращаются звезды и фрагментарии, входящие в состав этого кольца, а газ и пыль, связанные гравитацией этих звезд, тоже вращаются вместе с ними, отчего и не падают на ядро галактики. По всей вероятности, кольцевые галактики находятся в тех частях Метагалактики, в которых концентрация газа и пыли чрезвычайно низкая. |
За созвездием Центавра в 12 миллионах световых лет от нас находится линзообразная галактика Центавр А (NGC 5128). После Магеллановых облаков, галактики Андромеда и галактики Треугольника это самая яркая из видимых нами галактик. Если бы мы могли воспринимать радиоизлучение, то эта галактика была бы видна нам в виде двух огромных образований – джетов, исходящих из ее центра.
Центральная область галактики Центавр A окружена смесью молодых голубых звездных скоплений, гигантских облаков газа и внушительных темных пылевых прожилок. Эти фотографии получены в натуральном цвете в ренгентовских лучах и радио диапазоне на космическом телескопе Хаббл. Инфракрасные изображения с Хаббловского телескопа позволили увидеть в центре этой галактики диски вещества, которое, двигаясь вдоль спиральных траекторий, падает на черную дыру. Центавр A, по-видимому, является продуктом столкновения двух галактик, вещество которых интенсивно "заглатывается" чёрной дырой. Падая на эту дыру, прежде чем "исчезнуть" в ней, вещество излучает огромные джеты квантов рентгеновского излучения. Астрономы считают, что именно такие центральные черные дыры служат источниками жесткого излучения. Мощный джет, выбрасываемый из активного ядра галактики вверх и чуть налево, растянулся примерно на 13 тысяч световых лет. Более короткий выброс выходит из ядра в противоположном направлении. Вероятно, активная галактика Центавр A возникла в результате слияния со спиральной менее активной галактикой около 100 миллионов лет назад.
Линзообразная галактика 509px-Ngc5866.Она видна нам с ребра. Фото с сайта: http://ru.wikipedia.org/wiki/ |
Астрофизики говорят, что "экзотические" по современным стандартам черные дыры есть практически во всех галактиках, а вот с "обычными" черными дырами почему-то в астрофизике "напряженка". Считается, что черные дыры с низкой массой формируются, когда массивные звезды достигают конечного этапа своей эволюции и во время взрыва по типу сверхновой выбрасывают в окружающее пространство большинство вещества, из которого они состоят. А оставшееся после них плотное и компактное остывающее ядро постепенно превращается в черную дыру. Исследователи предполагают также, что в нашей Вселенной существует несколько миллионов таких черных дыр с низкой массой. Практически в каждой галактики можно обнаружить такие небольшие черные дыры, а порой даже несколько одновременно. Однако обнаружить их сложно, так как они не излучают никакого света, никаких электромагнитных колебаний, никаких потоков частиц. Именно поэтому большинство черных дыр до сих пор остаются ненайденными. Однако в последние годы астрономы сделали довольно большой прогресс в этой области. С помощью специальных научных инструментов и особых методик им удается обнаруживать все больше и больше черных дыр в нашей Галактике (пока, в основном, в двойных звездных системах). Для обнаружения обычной черной дыры в галактике "Центавр А" астрономы использовали рентгеновский диапазон орбитального телескопа Чандра. На фотографии слева видна галактика, состоящая из разреженного газа, плотность которого увеличивается по направлению к ее центру. Но у этой галактики, видимой нами в профиль, имеется тонкий диск, который состоит из темного непрозрачного вещества. Скорее всего, этот диск состоит из фрагментариев, выброшенных быстро вращающимся сверхплотным ядром (чёрной дырой) галактики. Эти фрагментарии не смогли сформировать водородные атмосферы и стать звездами, поэтому и видны как темные тела. Неплохо было бы взглянуть на эту галактику в фас. |
Заключение
В залючение следует подвести итог всего выше изложенного в виде некоего обобщающего вывода, выражающего суть моей гипотезы о структуре и динамике галактик. В начале постулируем, что Вселенная вечна и бесконечна, что вещество ее может находиться не только в привычном для нас виде светящегося или светлого вещества, состоящего из квантов, элементарных частиц, атомов, молекул, облаков газа и пыли, астероидов, планет и звезд, но и в сверхплотном состоянии, которое не очень удачно назвали чёрными дырами. Чёрные дыры – это не точки в пространстве, куда исчезает материя, это – темные, несветящиеся и не отражающие падающий на них свет тела сферической формы. Эти тела должны очень быстро вращаться, и чем они массивнее, тем быстрее вращаются, сплющиваясь на полюсах. Сила тяжести на поверхности этих черных "волчков" такова, что упавшее на них вещество теряет свою структуру и сжимается до плотности ядра атома, а может быть, даже больше. По всей вероятности, кинетическая и тепловая энергия упавшего на такое тело вещества превращается в энергию вращения этого сверхплотного тела, называемого черной дырой.
Когда энергия вращения достигает некоего предела, гравитация чёрной дыры уже не в состоянии удержать вещество, и оно начинает отрываться на экваторе и, словно ядро, пущенное из чудовищной пращи, летит от чёрной дыры прочь. Такие ядра (назовем их «фрагментарии» ) сверхплотного вещества забрасываются на галактические орбиты в соответствии со своей массой и количеством движения, которое получили в момент отрыва от чёрной дыры.
В центре спиральных галактик находятся сверхплотные объекты, выбрасывающие сгустки сверхплотного вещества –- фрагментарии . Выброшенные из ядра галактики (точнее, из чёрных дыр в ядре) сгустки сверхплотного вещества в собственном гравитационном поле приобретают форму шаров. Но собственной гравитации у этих тел не хватает для того, чтобы удерживать вещество в состоянии прежней плотности, какой оно было в чёрной дыре. Происходит разуплотнение вещества в этих телах, отчего объем их увеличивается, а из протонов и нейтронов сверхплотного сгустка при его разуплотнении, возможно, образуются тяжелые ядра химических элементов. Дальнейшее разуплотнение вещества приводит к тому, что вокруг ядер атомов образуются электронные оболочки и они становятся атомами тяжелых металлов.
На этой стадии эволюции космические сверхплотные тела (фрагментарии) формируют свои внешние оболочки из газа и пыли, захватывая их из галактических облаков, через которые пролетают и в которые погружаются, будучи выброшены из ядра галактики – из чёрной дыры, находящейся в ее центре. Массивные фрагментарии формируют вокруг себя мощные атмосферы из водорода и в дальнейшем становятся звездами, когда в их глубинах начинаются термоядерные реакции синтеза ядер гелия из ядер водорода. Некоторые особенно массивные фрагментарии, двигаясь от центра галактики к ее периферии, так и остаются малыми черными дырами – черными дырами второго порядка. Они тоже собирают водород и пыль из галактических облаков, но гравитация их так велика, что эти газ и пыль, падая на эти вторичные черные дыры, превращаются в сверхплотное вещество и оптически как бы "исчезают в этих дырах". Фрагментарии поменьше вторичных черных дыр немного разуплотняются и становятся ядрами будущих нейтронных звезд, третьи – разуплотняются сильнее и становятся ядрами обычных желтых звезд, четвертые – с меньшей изначальной массой и, следовательно, меньшей гравитацией – не могут удерживать очень большие атмосферы, они становятся не звездами, а планетами. Как увидим в дальнейшем, ядра у всех планет и больших шарообразных спутников планет тяжелые, металлические – железные, как утверждают планетологи.
Таким образом, согласно моей гипотезе, звезды и планеты действительно захватывали своей гравитацией облака газа и пыли из рукавов галактик, но сами по себе эти облака не превращались ни в звезды, ни в планеты и их спутники. Изначальными источником гравитации, организующими газ и пыль Космоса в звезды и планеты, является сверхплотное вещество, выброшенное из чёрных дыр в центрах галактик – фрагментарии. Изначальная масса этих сгустков сверхплотного вещества своим количеством несет информацию о том, будет ли формирующееся космическое тело чёрной дырой второго порядка, нейтронной звездой, желтой звездой или планетой. Двигаясь в галактике, космические тела гравитационно взаимодействуют друг с другом и образуют гравитационные системы: двойные и тройные звезды, планетные системы вокруг звезд, планетные системы из центральной массивной планеты и ее спутников.
Во всяком случае, в ядрах всех шарообразных космических объектов находится или находилось в начальный момент их существования сверхплотное вещество, которое и создало поле тяготения. Неправильную (нешарообразную) форму имеют космические тела, образованные не из сверхплотного, а из обычного вещества, в результате полного или частичного разрушения планет и их спутников. Сверхплотное вещество в лабораторных условиях получить невозможно, поэтому мы можем только догадываться о его свойствах, сравнивая между собой космические тела разной массы и разной формы, "плавающие" в пространстве галактик.
Есть существенное отличие данного сценария хаотической инфляции от старой гипотезы создания всей Вселенной в некий нулевой момент времени (Большой Взрыв ) в виде практически однородной и нагретой до бесконечно больших температур материи в виде самых элементарных частиц и квантов вакуума-эфира. В новой модели более не требуется условие изначальной однородности и термодинамического равновесия. Каждая часть Вселенной может иметь свое сингулярное начало (Borde et al , 2001). Однако это не означает, что вся Вселенная как целое возникла одномоментно из одной сингулярности. Различные части вселенной могли возникать в разные моменты времени и потом разрастаться. Это означает, что мы более не вправе говорить, что вся вселенная родилась в некий момент времени t=0, до которого ее не существовало.
Материя Вселенной может принимать разные формы: 1 – вещество разной плотности, 2 – излучение, 3 – вакуум-эфир и 4 – сингулярность (сверхплотное вещество). Плотность у вещества бывает разная (в г/куб. см): нейтронные звезды 1014, белые карлики 106, солнце 1,4, красные сверхгиганты 5/100 000 000, у галактик и Метагалактики в целом плотность на много порядков меньше, чем у красных сверхгигантов (http://www.astronet.ru/db/msg/1202878). Некоторая часть материи Метагалактики находится в форме излучения и элементарных частиц, плотность этой "лучистой" материи составляет менее 1/1000 от плотности вещества в Метагалактике. Но значительная часть материи находится в состоянии сингулярности, т.е. чёрных дыр.
При написании данной странички была также использована информация с сайтов:
1. Википедия. Адрес доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/
2. Сайт "Astronet". Адрес доступа: http://www.astronet.ru/db/msg/1225526
3. Сильченко О.К. Эволюция центральных областей галактик. Адрес доступа: http://lib.tr200.net/v.php?id=94040&sp=1&fs=18; http://ziv.telescopes.ru
4. http://lib.tr200.net/v.php?id=94040&sp=1&fs=18
5. http://www.infuture.ru/article/5983
