Мир Галактик (Галактики и звездные системы) (стр. 2 из 11)

Настоящие эллиптические галактики, разумелся, не являются совершенными сферами. Например, изофоты M87 - это скорее эллипсы, чем окружности, и отношения их осей слегка различаются на разных расстояниях от центра - во внешних частях изофоты менее круглые. Их ориентация тоже немного меняется. Все эти несовершенства говорят нам, что простая модель эллиптических галактик не совсем правильна. Предыстория или особые обстоятельства, наверное, оказали заметное влияние на орбиты звезд. Может быть, дело во вращении или причиной является приливное действие соседних галактик, или же мы наблюдаем проявления особых начальных условий, столь сильные, что тяготению не хватило времени для полного их устранения.

В отличие от эллиптических галактик, для спиральных характерно наличие диска и балджа (утолщения). Спиральные рукава уступают диску и балджу по количеству содержащихся в них звезд, хотя и являются важными и выдающимися частями галактики. (Так же, как глаза на лице человека - это небольшая часть тела, но они привлекают наше внимание и много говорят о внутреннем мире человека.)

Диск спиральной галактики довольно плоский. Видимые с ребра галактики говорят о том, что толщина типичного диска составляет около 1/10 его диаметра. В нашей собственной Галактике, где мы можем вести подсчет звезд в диске и измерять его толщину, оказалось, что звездное население быстро редеет и на высоте 3000 световых лет над плоскостью галактики становится весьма разреженным. Это в особенности справедливо для самых молодых звезд и сырья (газа и пыли), находящегося в ожидании формирования будущих звезд. У спиральных галактик хорошо заметно плоское спиральное распределение яркости вокруг утолщенного ядра. Идеальные спиральные галактики имеют две спиральные ветви (рукава). исходящие либо прямо из ядра, либо из двух концов бара (перемычки), в центре которого расположено ядро. Этот признак позволил разделить спиральные галактики на два основных подтипа: нормальные спиральные галактики (S) и пересеченные спиральные галактики (SB). Нормальных спиральных галактик во много раз больше, чем пересеченных. Дальнейшее разделение спиральных галактик на подтипы проводится по следующим трем критериям: 1) относительной величине ядра по сравнению с размерами всей галактики: 2) по тому, насколько сильно или слабо закручены спиральные ветви и 3) фрагментарности спиральных ветвей.

К типу Sa (или SBa) относят галактики с очень обширной ядерной областью и сильно закрученными спиральными (почти круговыми) ветвями - непрерывными и гладкими, а не фрагментарными. Галактики Sb и SBb имеют относительно небольшую ядерную область при не очень сильно закрученных спиральных ветвях, которые разрешаются на отдельные яркие фрагменты. Галактики типа Sc (и соответствующие им пересеченные галактики) характеризуются сильно фрагментированными обрывочными спиральными рукавами (см. рис. 1 и фото III-IX). У галактик SBc даже бар разделяется на отдельные фрагменты.

У всех спиральных галактик ядро представляет собой яркую область, обладающую многими признаками эллиптической галактики. Закон падения яркости, открытый Хабблом для эллиптических галактик, оказался справедливым и для центральных ядерных областей спиральных галактик и поэтому эти области иногда называют "эллиптическим компонентом".

У некоторых видимых с ребра спиральных галактик заметны мощные тончайшие прослойки пыли, пересекающие диск в самой его середине, в то время как самые старые звезды диска образуют гораздо более толстый слой.

Во второй половине 40-х годов ХХ века У. Бааде (США) установил, что клочковатость спиральных ветвей и их голубизна растут с повышением содержания в них горячих голубых звезд, их скоплений и диффузных туманностей. Центральные части спиральных галактик желтее, чем ветви и содержит старые звезды (население второго типа, по Бааде, или население сферической составляющей), тогда как плоские спиральные ветви состоят из молодых звезд (население первого типа, или население плоской составляющей) (см. рис. Галактики NGC1232).

Данные измерений распределения яркости в дисках спиральных галактик обнаруживают очень важное сходство - это обстоятельство хорошо задокументировано, но до сих пор не получило удовлетворительного объяснения. Яркость весьма регулярным образом падает по мере удаления от центра (см. рис. Галактики NGC 1232) в соответствии с универсальной математической зависимостью, которая, однако, отличается от аналогичной зависимости для эллиптических галактик.

Наблюдаемые свойства галактических дисков находят естественное объяснение в созданных на ЭВМ моделях быстро вращающихся звездных систем. Рассмотрим описанную выше эллиптическую галактику. Если ее протогалактическому газовому облаку придать быстрое вращение еще до образования большинства звезд, то облако приобретет плоскую форму, и распределение звезд будет напоминать диск спиральной галактики. Таким образом, оказывается, что основное структурное отличие эллиптических галактик от спиральных состоит в скорости исходного вращения.

Тогда откуда же появляется балдж? Если быстро вращающееся протогалактическое облако порождает диск, а медленно вращающееся или совсем не вращающееся превращается в эллиптическую галактику, то что же делают в центрах спиральных галактик эти толстые эллипсоидальные балджи? Они обладают большинством структурных свойств эллиптических галактик: правильными изофотами, наличием старых звезд, существенной толщиной и ровно падающим распределением яркости. Ответ следует, по-видимому, искать в том обстоятельстве, что газ ведет себя совсем не так, как звезды. Газовое облако может довольно легко избавиться от энергии - просто нагреваясь и излучая ее. При этом вращающееся газовое облако станет плоским и превратится в диск. Однако если в некоторые момент времени газ начинает конденсироваться в звезды, то ситуация меняется. Звезды не сталкиваются, как атомы в газе. Их размеры слишком малы по сравнению с расстояниями между ними. Так как звезды не нагреваются столкновениями, то они не рассеивают эффективным образом свою энергию и поэтому не коллапсируют в плоскость. Поэтому, если звезды начинают образовываться - а это происходит сначала в центральных областях, где плотность самая высокая, то они останутся на месте в большом толстом центральном балдже.

Например, в Млечном Пути первыми должны были образоваться звезды в центральном балдже, которые сейчас являются старейшими. Оставшийся газ сколлапсировал в плоскость, где медленно образовывались и вращались вместе с газом другие звезды. Этот тонкий плоский диск (хотя этот диск далеко не всегда плоский: см. рис. галактики ESO 510) стал местом большей части последующих активных событий в нашей Галактике: звезды, гигантские молекулярные облака, облака возбужденного газа и крупномасштабные спиральные узоры - все это развивалось здесь, в запутанной структуре, бросающей сейчас вызов нашим теоретическим моделям.

Спиральные галактики не выглядели бы особенно интересными без своей спиральной структуры - без нее они бы, разумеется, не были спиральными Галактиками, но все обстоит еще хитрее. Если спиральная галактика образуется потому, что вращение заставляет газ коллапсировать на плоскость, то спиральная форма рукавов кажется естественным результатом - вроде узора, образуемого сливками, которые наливают при помешивании в чашку кофе, или вроде воды, уходящей через сток. Эти ситуации не являются строгими аналогами галактики, но хорошо иллюстрируют закономерность: где есть вращение, там обычно бывает и спиральная структура. Поэтому на протяжении многих лет астрономов особенно не беспокоила спиральная форма многих галактик - она казалась совершенно естественной.

Первая серьезная трудность возникла, когда кому-то пришло в голову задать вопрос: как долго существует в галактике спиральный рукав? Известны периоды вращения галактик, типичные значения которых для звезд, расположенных на расстоянии от ядра, эквивалентном расстоянию Солнца до центра Галактики, составляют несколько сотен миллионов лет. Известны возрасты ближайших галактик - около 10 миллиардов лет. Если спиральная структура возникает из-за того, что внутренняя часть галактики вращается со скоростью, отличной от скорости внешней части, то рукава должны постепенно закрутиться в спиральный узор. Однако для галактики с возрастом, характерным для окружающих нас галактик, число оборотов узора должно быть очень большим - примерно равным возрасту, деленному на средний период вращения - около 100. У реальных спиральных галактик - по крайней мере у тех, что имеют четкие непрерывные спиральные ветви, наблюдается закрутка спирального узора лишь на один-два оборота. Встает вопрос: "замораживаются" ли спиральные рукава каким-то образом, что позволяет им сохраниться? Или же они закручиваются до исчезновения, чтобы смениться новыми? Или же есть для них возможность не участвовать в общем вращении звезд и газа, что позволяет им вращаться медленнее?

Проблема не в том, что мы не можем придумать, как создать спиральную структуру: любая "капля", вращающаяся, как галактика с различными периодами вращения на различных расстояниях от центра, создает спиральный узор. Проблема в том, как галактика приобретает спиральную форму, которая сохраняется. В настоящее время существует три типа ответов, и мы еще не знаем наверняка, какой же из них правильный. Возможно, что все являются правильными в том или ином случае, и спиральная структура даже одной индивидуальной галактики может иметь смешанное происхождение.