Что такое галактика

Большой портрет галактик

Не так давно астрономы начали работать над совместным проектом для выявления расположения галактик во всей Вселенной. Их задача – получить более детальную картину общей структуры и формы Вселенной в больших масштабах. К сожалению, масштабы Вселенной сложно оценить для понимания многими людьми. Взять хотя бы нашу галактику, состоящую более чем из ста миллиардов звезд. Во Вселенной существуют еще миллиарды галактик. Обнаружены дальние галактики, но мы видим их свет таким, который был практически 9 млрд лет назад (нас разделяет такое большое расстояние).

Астрономам стало известно, что большинство галактик относятся к определенной группе (ее стали называть «кластер»). Млечный путь – часть кластера, который, в свою очередь, состоит из сорока известных галактик. Как правило, большинство таких кластеров представлены частью еще большей группировки, которую называют сверхскоплениями.

Наш кластер – часть сверхскопления, которое принято называть скоплением Девы. Такой массивный кластер состоит больше чем из 2 тыс. галактик. В то время, когда астрономы создали карту расположения данных галактик, сверхскопления начали принимать конкретную форму. Большие сверхскопления собрались вокруг того, что представляется как бы гигантскими пузырями или пустотами. Что это за структура, никто еще не знает. Мы не понимаем, что может находиться внутри этих пустот. По предположению, они могут быть заполнены определенным типом неизвестной ученым темной материи или же иметь внутри пустое пространство. Перед тем как мы узнаем природу таких пустот, пройдет много времени.

Что такое галактика

Галактика часто воображается нами такой, какой традиционно показывается в энциклопедиях и документальных фильмах — громадной спиралью из голубоватого дыма, в котором прячутся гроздья звезд, посередине которой ярко светит ядро. Однако такой «звездный остров» — всего лишь одна разновидность правильных структур. Ведь бывают и неправильные галактики, лишенные выраженных ядер и рукавов — они бултыхаются в космическом пространстве подобно яйцу, разбитому в невесомости. Издали они мало чем отличаются от хаотичных туманностей: разница состоит в размерах и концентрации звезд.

Галактика Андромеды — ближайшая к нам крупная галактика

Итак, что нужно, чтобы назвать объект галактикой?

• Во-первых, это наличие в ней звезд и звездных скоплений — они составляют львиную долю видимой нам материи галактики. Но только видимой: большую часть массы любой галактики составляют прослойки газа и пыли, молекулярные облака и темная материя.
• Во-вторых, все это богатство должно быть связано в гравитационной системе и вращаться вокруг общего центра масс. Обычно им выступает галактический центр, о котором речь пойдет дальше — но его отсутствие не препятствие.
• Кроме внутреннего гравитационного взаимодействия, галактики взаимодействуют между собой. Меньшие «звездные острова» вращаются вокруг больших — а те выстраивают связи с другими гигантами, включаясь в крупномасштабную структуру Вселенной. Но в отличие от планет и их спутников, галактики славятся «хищными» нравами. Наш Млечный путь близок к тому, чтобы через пару миллиардов лет поглотить своих спутников, Большое и Малое Магеллановы Облака — а после этого его «слопает» галактика Андромеды.

Большое Магелланово облако — галактика-спутник Млечного пути

Видной характеристикой галактики является размер — как и содержание звезд, так и размах. Однако тут как раз точности и нет. Существуют галактики, которые в радиусе сотни–второй световых лет вмещают сотни миллионов звезд. Но бывают и другие, в которых на ту же сотню световых лет рассыпаны считаные тысячи звезд. Поэтому единственный четкий критерий тут — это гравитационная отделенность от близлежащих «островов» и наличие собственного центра массы. Так, во Вселенной одновременно существуют галактики с несколькими тысячами светил, и с сотнями триллионов звезд.

Как видите, нет четких рамок или определения для понятия что такое галактика. Поэтому они такие разнообразные, часто совсем невообразимые. Это и сверхяркие мощные квазары, и Великий Аттрактор, и громадные звездные поля протяженностью в миллионы световых лет. Но даже у самых обычных галактик есть чем удивить. Об этом дальше.

Взаимодействие

Основные виды галактик описывают особенности формы и расположения элементов этих космических систем. Однако не менее увлекателен вопрос об их содействии. Не секрет, что все объекты космоса находятся в постоянном движении. Не исключение и галактики. Виды галактик, по крайней мере, некоторые из их представителей могли образоваться в процессе слияния либо столкновения 2-ух систем.

Если вспомнить, что представляют собой такие объекты, становится понятным, насколько масштабные конфигурации происходят во время их взаимодействия. При столкновении высвобождается колоссальное количество энергии. Любопытно, что подобные события даже более возможны на просторах космоса, чем встреча 2-ух звезд.

Однако не всегда «общение» галактик завершается столкновением и взрывом. Небольшая система может пройти сквозь своего крупного собрата, потревожив при этом его структуру. Так образуются формирования, схожие по внешнему облику с вытянутыми коридорами. Они состоят из звезд и газа и часто становятся зонами образования новых светил. Примеры таких систем хорошо известны ученым. Один из них — галактика Колесо телеги в созвездии Скульптор.

В некоторых случаях системы не соударяются, а проходят мимо друг дружку либо лишь слегка соприкасаются. Однако независимо от степени взаимодействия оно приводит к серьезным изменениям структуры обеих галактик.

История исследования галактики

Когда Галилео Галилей исследовал Млечный Путь с помощью телескопа в 1610 году, он обнаружил, что Млечный Путь состоит из большого количества слабых звезд. В трактате 1755 года, основанном на работе Томаса Райта, Иммануил Кант предположил, что галактика может представлять собой вращающееся тело, состоящее из большого количества звезд, удерживаемых гравитационными силами, схожими с силами Солнечной системы, но в большем масштабе. С точки наблюдения внутри галактики (особенно в нашей Солнечной системе) получившийся диск будет виден в ночном небе в виде светового бара. Кант также предположил, что некоторые из туманностей, видимые в ночном небе, могут быть отдельными галактиками. До конца XVIII века века Карл Мессье составил каталог 109 ярких туманностей. С момента публикации каталога до 1924 г. продолжались споры о природе этих туманностей, об объекте M31, галактике Андромеды.

Уильям
Хершель подозревал, что туманности могут быть далекими звездными системами,
похожими на систему Млечного Пути. В 1785 году он попытался определить форму и
размер Млечного Пути и положение Солнца в нем, используя метод
«ведра» — подсчета звезд в разных направлениях. В 1795 году, наблюдая
планетарную туманность NGC 1514, он ясно увидел в её центре единственную
звезду, окружённую туманной материей. Поэтому существование реальных
туманностей не подлежит сомнению, и не нужно думать, что все туманности
являются далекими звездными системами.

К
середине 19 века Джон Хершел, сын Уильяма Хершела, обнаружил еще 5000 туманных
предметов. Распределение, основанное на них, стало главным аргументом против
предположения, что это были далекие «островные вселенные», похожие на
нашу систему Млечного Пути. Было установлено, что существует «зона избегания»,
зона, где таких туманностей мало или вообще нет. Эта зона находилась вблизи
плоскости Млечного Пути и интерпретировалась как связь туманностей с системой
Млечного Пути. Поглощение света, самого сильного в плоскости галактики, было до
сих пор неизвестно.

Вращение
галактики вокруг ядра предсказал Мариан Ковальский, который в 1860 году
опубликовал статью с его математическим обоснованием в «Научных записках
Казанского университета», публикация была переведена на французский язык.
В 1865 году Уильям Хаггинс впервые получил спектр туманностей. Характер линии
излучения туманности Орион ясно говорил о ее газовом составе, но спектр
туманности Андромеда (М31 в каталоге Мессье) был непрерывным, как и у звезд.
Хаггинс пришел к выводу, что этот тип спектра М31 обусловлен высокой плотностью
и непрозрачностью газа, из которого он состоит.

В
начале XX века Весто Мелвин Слифер объяснял спектр туманности Андромеда
отражением света центральной звезды (для чего он взял ядро галактики). Этот
вывод был сделан на основе фотографий, сделанных Джеймсом Килером на
36-дюймовом отражателе. Было обнаружено 120 000 слабых туманностей. Спектр, в
котором он был получен, был отражающим. Как мы теперь знаем, это были спектры
отражающих (в основном пыльных) туманностей вокруг звезд Плеяды.

В
1920 году состоялся «Великий спор» между Харлоу Шепли и Хебером
Кертисом. Суть спора заключалась в том, чтобы измерить расстояние от Цефеид до
Магеллановых Облаков и оценить размер Млечного Пути. Используя
усовершенствованный вариант ковшового метода, Кертис пришел к выводу, что
небольшая (диаметром 15 килопарсеков) сплющенная галактика с Солнцем близко к
центру. А также небольшое расстояние до Магеллановых Облаков. Сепли, исходя из
расчета сферических скоплений, создал совершенно иную картину — плоский диск
диаметром около 70 килопарсеков с Солнцем вдали от центра. Расстояние до
Магеллановых Облаков было того же порядка величины. Результатом спора стал
вывод о необходимости еще одного независимого измерения.

Современная
картина нашей Галактики появилась в 1930 году, когда Роберт Джулиус Трамплер
измерил эффект поглощения света, изучив распределение рассеянных звездных
скоплений, сконцентрированных в плоскости Галактики. Новые наблюдения,
сделанные с помощью космического телескопа Хаббла в начале 1990-х годов,
показали, что темная материя в нашей Галактике не может состоять только из
очень слабых и маленьких звезд. Он также получил изображения далекого космоса
под названием «Хаббл Глубокое Поле» и «Хаббл Сверх Глубокое
Поле», которые показали, что в нашей Вселенной есть сотни миллиардов
галактик.

Странная нить

Некоторые явления порой ставят астрономов в тупик.

Недавно астрономические обсерватории нескольких стран обратили взор своих телескопов на один и тот же объект – черную дыру в центре нашей галактики. Благодаря этому ученые получили наиболее детализированное на данный момент изображение Стрельца А*.

Иногда радиотелескопы захватывают изображение неких нетермальных радионитей. Они не проявляются в оптическом спектре и при этом никто не знает, что это такое. Одна такая нить проявилась на изображении черной дыры Стрелец А*. Ее протяженность составляет около 2,3 светового года и, судя по всему, один из ее концов попадает в самый центр черной дыры.

Увиденное пока не поддается объяснению, но имеется несколько предположений на этот счет. Согласно одной из выдвинутых ранее теоретиками версий, радионити способны генерировать так называемое синхротронное излучение, возникающее при ускорении заряженных частиц под воздействием магнитного поля. Однако в таком случае непонятно — откуда в принципе берутся эти заряженные частицы? Кто их «зарядил»?

Согласно другому предположению, нити – это не что иное, как «разлом» в пространстве, так называемый топологический дефект, теоретически возникающий под действием изменяющегося состояния вакуума. Согласно некоторым мнениям, эти нити обладают аналогичным зарядом и массой с галактическими нитями, которые как паутина покрывают все пространство Вселенной.

Обсудить статью можно в нашем Telegram-чате.

История и формирование

Спиральные галактики наполнены пылью и газом, из-за чего создаются отличные условия для формирования звезд. Считается, что они моложе эллиптических. Можно обнаружить совершенно разные формы. Около 60% из них располагают несколькими рукавами, 10% – двумя, а у 30% нельзя подсчитать, так как со временем они меняли внешний вид.

Знаменитая спиральная галактика раннего типа М104 (Галактика Сомбреро).

Эти галактики от миллиарда до триллиона раз массивнее Солнца. Видимый диск в ширину простирается на 10-300 тысяч световых лет. Наиболее крупная спиральная галактика – NGC 6872, которая вытягивается на 522000 световых лет.

В ранней Вселенной галактики часто сталкивались и контактировали, поэтому форма древних гигантов быстро искажалась. Древнейшая из наблюдаемых спиральных галактик – BX442 (10.7 миллиардов лет). Из-за корреляции между дистанцией и временем, исследователям удается рассмотреть ее лишь через 3 миллиарда лет после Большого Взрыва.

Когда спиральная галактика израсходует весь газ и пыль, то звезды прекращают формироваться, а спиральная форма распадается, и они трансформируются в эллиптические. Посмотрите видео про галактики, чтобы узнать больше о рождении звезд, создании спиралей и рукавов.

Ближайшая к нам галактика

Самая большая галактика

Эволюция галактик

Галактический центр

Спиральные галактики

Голографическая Вселенная

Согласно теории, которую выдвинули в 1993 году, Вселенная на самом деле — огромная голография. Концепция напоминает платоновскую аллегорию пещеры. Согласно голографическому принципу, вся материя, содержащаяся в некой области пространства, может быть представлена как «голограмма» — информация, которая находится на границе этой области. Впервые принцип предложил нидерландский физик-теоретик Джерард’т Хофт, а американский профессор физики из Стэнфорда Леонард Сасскинд объединил свои идеи с предыдущими идеями Хофта и профессора физики в Университете Флориды Чарльза Торна, предложив теорию струн.

Сам голографический принцип Вселенной родился из обсуждения термодинамики черных дыр — Леонард Сасскинд подробно писал об этом в книге «Война при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики». Идея состоит в том, что вся информация, которая когда-то попала в черную дыру (а ее там должно быть много и, согласно закону сохранения энергии, просто исчезнуть она не может) дублируется на горизонте событий. Когда что-то попадает в черную дыру, оно остается там навсегда и искажается до неузнаваемости. В итоге, вся информация сохраняется в нечитаемом виде.

Это утверждение основано на фундаментальном физическом принципе. Именно благодаря Сасскинду голографический принцип разрешает информационный парадокс черной дыры (во всяком случае в рамках теории струн).

Так появилась идея голографической черной дыры, которая хранит информацию о падающих в нее трехмерных объектах на двухмерный горизонт событий. Потом ученые пошли дальше — они предположили, что вообще любая информация в любом объеме может быть записана на поверхности, ограничивающей этот объем. Если мы говорим об информации из черного ящика, то она записана на стенках черного ящика, если информация о Солнечной системе, то записать ее можно на воображаемой сфере вокруг нее, а данные обо всем, что происходит во Вселенной, записано на ее границе.

Для этого не нужны какие-то определенные границы, ведь это теоретический принцип. Если подытожить, то он гласит, что, вся информация и процессы, которые происходят на участке пространства равна какой-то записи на границе этого объема. Теория голографической Вселенной предполагает, что все, что человек видит, слышит. ощущает и наблюдает, может быть как реальностью, так и «голографической» 3D-проекцией 2D-записей на «стене, которая окружает Вселенную». Здесь очень важны кавычки — голография не похожа на ту, к которой мы привыкли, это лишь схожий принцип. И, конечно, мир не окружен настоящей стеной, она воображаемая, как экватор на глобусе.

Несмотря на то, что эта идея звучит безумно, это научно проверяемая теория. Ученые, которые провели исследование в 2017 году. Международная группа космологов из Канады, Великобритании и Италии получила данные, свидетельствующие в пользу теории голографической Вселенной.

Космологи использовали двумерную модель Вселенной, которая на основе наблюдаемых ранее параметров, смогла в точности воспроизвести картину микроволнового фона — теплового излучения, равномерно заполняющего космическое пространство. Полученные результаты свидетельствуют в пользу применимости голографического принципа, хотя пока и не опровергают стандартные космологические модели.

Активные галактики

Это тип галактики, излучающий больше энергии, чем обычная. Млечный Путь считается стабильным. По сравнению с ним, активные выделяют в 100 раз больше энергии. Это происходит из-за взрывов в ядре. Энергия высвобождается в виде радиоволн. Есть несколько разновидностей таких галактик.

Типичный вид Сейфертовской галактики — спиральная галактика NGC 1566

Сейфертовские галактики напоминают спиральные с чрезвычайно активным ядром. Больше всего интереса вызывают квазары, потому что за 1 секунду способны выплеснуть столько энергии, сколько Солнце производит за все свое существование. Они напоминают звезды и считаются наиболее энергичными объектами. Многие полагают, что квазары выступают активными ядрами далеких галактик на ранних эволюционных стадиях. Свет движется к нам миллиарды лет и может поступать даже с самого начала Вселенной.

Как же узнали о нашей галактике? Древние люди наблюдали в небе светлую полосу и назвали ее Млечным Путем. В конце 1500-х гг. Галилео Галилей впервые посмотрел на звезды в телескоп и понял, что эта полоса представлена множеством отдельных объектов. В 1755 году Иммануил Кант предположил, что наша галактика – линзовидная звездная группа и во Вселенной еще много таких.

Проходили годы и ученые знакомились с галактикой ближе, но все еще ставили Солнце в ее центре. В 1918 году все изменилось, когда Харлоу Шепли понял, что мы находимся на периферии галактики.

Млечный путь

Солнце обращается вокруг центра вполне рядовой спиральной галактики, в состав которой входят 200−400 миллиардов звезд. Ее диаметр приблизительно равен 28 килопарсекам (чуть больше 90 световых лет). Радиус солнечной внутригалактической орбиты — 8,5 килопарсек (так что наше светило смещено к внешнему краю галактического диска), время полного оборота вокруг центра Галактики — примерно 250 миллионов лет.

Балдж Млечного Пути имеет эллипсовидную форму и наделен баром, который обнаружили совсем недавно. В центре балджа находится компактное ядро, заполненное звездами различного возраста — от нескольких миллионов лет до миллиарда и старше. Внутри ядра за плотными пылевыми облаками скрывается достаточно скромная по галактическим стандартам черная дыра — всего лишь 3,7 миллиона солнечных масс.

Наша Галактика может похвастаться двойным звездным диском. На долю внутреннего диска, который имеет по вертикали не более 500 парсек, приходится 95% звезд дисковой зоны, в том числе все молодые яркие звезды. Его охватывает внешний диск толщиной в полторы тысячи парсек, где обитают звезды постарше. Газовый (точнее, газо-пылевой) диск Млечного Пути имеет в толщину не менее 3,5 килопарсек. Четыре спиральных рукава диска представляют собой области повышенной плотности газо-пылевой среды и содержат большинство самых массивных звезд.

Диаметр гало Млечного Пути не менее, чем вдвое больше диаметра диска. Там обнаружено порядка 150 глобулярных кластеров, причем, скорее всего, еще с полсотни пока не открыты. Возраст старейших кластеров превышает 13 миллиардов лет. Гало заполнено темной материей, имеющей комковатую структуру.

До недавнего времени полагали, что гало почти шарообразно, однако, по последним данным, оно может быть значительно приплюснуто. Общая масса Галактики может составлять до 3 триллионов солнечных масс, причем на долю темной материи приходится 90−95%. Масса звезд Млечного Пути оценивается в 90−100 миллиардов масс Солнца.

Эллиптическая галактика, как и следует из ее названия, имеет форму эллипсоида. Она не вращается как целое и потому не обладает осевой симметрией. Ее звезды, которые в основном имеют сравнительно небольшую массу и солидный возраст, обращаются вокруг галактического центра в разных плоскостях и иногда не по отдельности, а сильно вытянутыми цепочками.

Новые светила в эллиптических галактиках загораются редко в связи с дефицитом исходного сырья — молекулярного водорода.

Подобно людям, галактики объединяются в группы. Наша Местная группа включает две самые крупные галактики в окрестностях размером порядка 3 мегапарсек — Млечный путь и Андромеду (M31), галактику Треугольника, а также их спутники — Большое и Малое Магеллановы облака, карликовые галактики в Большом Псе, Пегасе, Киле, Секстанте, Фениксе, и еще множество других — всего числом около полусотни. Местная группа в свою очередь является членом местного сверхскопления Девы.

Как самые крупные, так и самые мелкие галактики относятся к эллиптическому типу. Общая доля его представителей в галактическом населении Вселенной всего около 20%. Эти галактики (возможно, за исключением самых мелких и тусклых) также скрывают в своих центральных зонах сверхмассивные черные дыры. Эллиптические галактики имеют и гало, но не столь четкие, как у дисковидных.

Все прочие галактики считаются иррегулярными. Они содержат много пыли и газа и активно порождают молодые звезды. На умеренных расстояниях от Млечного Пути таких галактик немного, всего-то 3%.

Однако среди объектов с большим красным смещением, чей свет был испущен не позже, чем через 3 млрд лет после Большого взрыва, их доля резко возрастает. Судя по всему, все звездные системы первого поколения были невелики и обладали неправильными очертаниями, а крупные дисковидные и эллиптические галактики возникли гораздо позже.

Рождение галактик

Галактики появились на свет вскоре после звезд. Считается, что первые светила вспыхнули никак не позднее, чем спустя 150 млн лет после Большого взрыва. В январе 2011 года команда астрономов, обрабатывавших информацию с космического телескопа «Хаббл», сообщила о вероятном наблюдении галактики, чей свет ушел в космос через 480 млн лет после Большого взрыва.

В апреле еще одна исследовательская группа обнаружила галактику, которая, по всей вероятности, уже вполне сформировалась, когда юной Вселенной было около 200 млн лет.

Условия для рождения звезд и галактик возникли задолго до его начала. Когда Вселенная прошла возрастную отметку в 400 000 лет, плазма в космическом пространстве заменилась смесью из нейтрального гелия и водорода. Этот газ был еще чересчур горяч, чтобы стянуться в молекулярные облака, дающие начало звездам.

Однако он соседствовал с частицами темной материи, изначально распределенными в пространстве не вполне равномерно — где чуть плотнее, где разреженнее. Они не взаимодействовали с барионным газом и потому под действием взаимного притяжения свободно стягивались в зоны повышенной плотности.

Согласно модельным вычислениям, уже через сотню миллионов лет после Большого взрыва в космосе образовались облака темной материи величиной с нынешнюю Солнечную систему. Они объединялись в более крупные структуры, невзирая на расширение пространства. Так возникли скопления облаков темной материи, а потом и скопления этих скоплений. Они втягивали в себя космический газ, предоставляя ему возможность сгущаться и коллапсировать.

Таким путем появились первые сверхмассивные звезды, которые быстро взрывались сверхновыми и оставляли после себя черные дыры. Эти взрывы обогащали космическое пространство элементами тяжелее гелия, которые способствовали охлаждению коллапсирующих газовых облаков и потому делали возможным появление менее массивных звезд второго поколения.

Такие звезды уже могли существовать миллиарды лет и потому были в состоянии формировать (опять-таки с помощью темной материи) гравитационно связанные системы. Так возникли долгоживущие галактики, в том числе и наша.

«Многие детали галактогенеза еще скрыты в тумане, — говорит Джон Корменди. — В частности, это относится к роли черных дыр. Их массы варьируют от десятков тысяч масс Солнца до абсолютного на сегодняшний день рекорда в 6,6 млрд солнечных масс, принадлежащего черной дыре из ядра эллиптической галактики М87, расположенной в 53,5 млн световых лет от Солнца.

Дыры в центрах эллиптических галактик, как правило, окружены балджами, составленными из старых звезд. Спиральные галактики могут вовсе не иметь балджей или же обладать их плоскими подобиями, псевдобалджами. Масса черной дыры обычно на три порядка меньше массы балджа — естественно, если оный наличествует. Эта закономерность подтверждается наблюдениями, охватывающими дыры массой от миллиона до миллиарда солнечных масс».

Как полагает профессор Корменди, галактические черные дыры набирают массу двумя путями. Дыра, окруженная полноценным балджем, растет за счет поглощения газа, который приходит к балджу из внешней зоны галактики. Во время слияния галактик интенсивность поступления этого газа резко возрастает, что инициирует вспышки квазаров.

В результате балджи и дыры эволюционируют параллельно, что и объясняет корреляцию между их массами (правда, могут работать и другие, еще неизвестные механизмы).

Исследователи из Питтсбургского университета, Калифорнийского университета в Ирвине и Атлантического университета Флориды смоделировали ситуацию столкновения Млечного пути и предшественницы карликовой эллиптической галактики в Стрельце (Sagittarius Dwarf Elliptical Galaxy, SagDEG).

Они проанализировали два варианта столкновений — с легкой (3х1010 масс Солнца) и тяжелой (1011 масс Солнца) SagDEG. На рисунке показаны результаты 2,7 млрд лет эволюции Млечного пути без взаимодействия с карликовой галактикой и с взаимодействием с легким и тяжелым вариантом SagDEG.

Иное дело безбалджевые галактики и галактики с псевдобалджами. Массы их дыр обычно не превышают 104−106 солнечных масс. По мнению профессора Корменди, они подкармливаются газом за счет случайных процессов, которые происходят недалеко от дыры, а не простираются на целую галактику. Такая дыра растет вне зависимости от эволюции галактики или ее псевдобалджа, чем и обусловлено отсутствие корреляции между их массами.