Число нерешенных проблем в этой области как туман закрывают от нас таинственное происхождение галактик.
А вопрос этот принципиальный. Ведь наблюдательные данные свидетельствуют о том, что в необозримых просторах Вселенной галактики образуют огромные космические соты - сверхскоростные, окружающие гигантские "черные области" - пустоты.
Расчеты показывают, что сжатие вещества будет анизотропным. Объем может меняться от формы куба до пластины. Такую пластину назвали "блином". Первоначально изолированные друг от друга плоские "блины" очень скоро вырастают в плоские слои. Эти слои перемещаются, и в процессе их взаимодействия образуется ячеисто - сетчатая структура, где стенками пустот служат блины. Отдельные блины представляют собой сверхскопление галактик, имеющее уплощенную форму. Существуют и другие подходы к проблеме структурирования.
Теория блинов оперирует лишь со сверхструктурой Вселенной, не отвечая на вопрос о происхождении более мелких образований - галактик. Для решения этого вопроса вернемся к массе Дешенса.
Тщательный анализ эволюции возмущений плотности различных типов в нашей Вселенной показывает, что ко времени рекомбинации остается два выделенных масштаба масс: 106 и1012 солнечных масс. Массы шаровых скоплений составляют около миллиона солнечных масс, а массы наиболее массивных галактик и небольших скоплений приближаются к величине 1012 масс Солнца.
Безусловно, этот факт заслуживает внимания. Появилась очередная гипотеза, согласно которой из первичных возмущений с массой 105 - 106 масс Солнца возникло "все" - и шаровые скопления, и галактики, и скопления галактик. В этой теории существенно то обстоятельство, что масса исходного сгустка, сравнима с массой Дешенса. Поэтому, силы давления также сравнимы с силами гравитации.
Свойства галактик
Сегодня нам хорошо известно, что эллиптические образования во Вселенной не туманности, а звездные системы. Вопрос эволюции уже образовавшихся звездных систем - галактик, заставляет нас обратить внимание и на их вращение, взаимодействие друг с другом, причин морфологических различий и т.д.
Одним из достаточно сложных и интересных вопросов является проблема очень широкого диапазона масс галактик. Для объяснения этой проблемы можно предположить, что определенную роль в образовании галактик играла не только газовая орлагментация, но и слияние первичных галактик.
В процессе слияния двух галактик поначалу образуется объем совершенно неправильной формы. Но затем эти неправильности сглаживаются, и в результате образуется массивная галактика эллиптической формы. Процесс этот занимает несколько сотен миллионов лет.
В скоплениях галактик присутствует такой сверхгигантский компонент - галактика-монстр. Их радиус достигает миллиона световых лет, а светимость в 100 раз может превышать светимость нашей Галактики. Такие галактики сначала лишь ненамного превышают другие, но по мере движения по спиральной траектории к центру скопления эта галактика заглатывает более мелкие системы. Конечно, подобные процессы наблюдаются не в каждом скоплении галактик. Иногда взаимодействие галактик может иметь характер лобового столкновения. При таком столкновении центральные области одной из галактик могут быть выброшены наружу. В результате образуется кольцевая структура, представляющая собой неустойчивую, короткоживущую систему.
Не только динамика взаимодействия галактик заставляет вспомнить общее космологическое расширение. Существует еще одно немаловажное обстоятельство, связанное со строением галактик, которое может повлиять на характер расширения Вселенной.
В спиральных галактиках звезды, находящиеся в диске, обращаются вокруг общего центра масс. Движение звезд, газа и пыли, как и движение планет в Солнечной системе определяется законом всемирного тяготения. На стабильной орбите сила тяготения равна центробежной силе:
G*Mr*mm*V2 *r^2
------------------ - = - ------------------ - ,
R2 r
где Mr- масса заключенная в пределах от 0 до r.
Vr - орбитальная скорость массы m. Если масса сосредоточена в центре, то изменение скорости происходит по закону Кеплера. Обычно в галактиках максимум яркости приходится на центр, а к периферии яркость быстро падает. Астрономы предполагали, что орбитальная скорость звезд должна меняться по закону Кеплера, то есть уменьшаться с увеличением расстояния от центра Галактики. В последнее время выполнены тщательные наблюдения вращающихся дисков спиральных галактик. Эти наблюдения принесли сенсационные результаты. Оказалось, что в удаленных от центра галактик районах скорость вращения не уменьшается по мере увеличения радиуса. Более того, в ряде случаев она увеличивается.
В галактиках есть невидимая масса, корректирующая скорость орбитальных движений. Невидимая масса вполне может остановить расширение Вселенной. После наблюдений, оказалось, что наличие невидимой массы - повсеместное явление.
Наша Галактика
Гигантская спиральная система, называемая Млечным Путем входит в местную систему и является одной из самых больших галактик системы. В мире галактик наш Млечный Путь занимает отнюдь не последнее место. Это гигантская галактика с диаметром диска около 100 тыс. световых лет и толщиной около 30 тыс. световых лет. Масса видимого вещества в Галактике оценивается в 1,5 * 1011 солнечных масс. Но, несмотря на впечатляющую величину массы Млечного Пути, еще большая масса невидимого вещества содержится в короне Галактики. Эта масса оценивается примерно в 1012 масс Солнца. В Галактике звезды рождаются из массивных газопылевых облаков. Сами звезды снова производят газ и пыль, которые поставляются ими в межзвездную среду. Процесс рождения звезд зависит и от космических лучей, а космические лучи, в свою очередь, производятся сверхновыми. Что собой представляют космические лучи? Это заряженные частицы очень высоких энергий. Они приходят на Землю в достаточной мере изотропно, то есть примерно в одинаковых количествах со всех направлений. Они путешествуют в Галактике около десяти миллионов лет. Составными частями нашей Галактики являются космические лучи и магнитные поля. Чрезвычайно важной компонентой Галактики является межзвездная среда. В основном это газ и пыль. Газ - межзвездный водород. Он сконцентрирован в тонком диске, образованном молодыми звездами, и образует отдельные облака. Некоторое количество газа обнаружено вне диска. Водород может присутствовать как в атомарной, так и молекулярной форме. Гигантские молекулярные облака содержат в форме молекулярного водорода значительную часть массы межзвездного газа в Галактике. Их характерный размер составляет 20-30 парсек. Его масса в сотни тысяч раз превышает массу Солнца. Таким образом, гигантские облака молекулярного водорода являются наиболее массивными изолированными объектами в Галактике.
Массу проблем ставит перед астрономами и центр Галактики. Положение осложняется тем, что центральная область Млечного Пути скрыта от нас вторым важным компонентом межзвездной среды - пылью.
Центры галактик проявляют различные формы активности, и наша Галактика не является исключением. Центральные области Галактики можно подразделить на три характерные зоны. В зоне, имеющей радиус около 4 килопарсек, наиболее интересно резкое падение плотности газа. Образуется своего рода "дырка" в газовом диске Галактики. На расстоянии от центра 600-700 парсек проходит "граница" очень интересного района, который принято называть звездным балджем (от англ. bulge - выпуклость). Эта область и по "форме" и по "содержанию" напоминает небольшую эллиптическую галактику, вкрапленную в центр Млечного Пути. Так же как эллиптическая галактика, балдж содержит в основном старые звезды, возраст которых больше среднего возраста звездного населения диска.
Наиболее загадочная область Галактики - центральный парсек. По космическим масштабам эта область невелика, но здесь наблюдаются аномалии, не имеющие пока удовлетворительного объяснения. К примеру, там находится "мини-спираль" - необычный источник радиоизлучения диаметром всего в 12 световых лет, а так же другой быстропеременный компактный радиоисточник с периодом порядка несколько минут. Этот источник расположен точно на оси вращения. В том же направлении находится совершенно необыкновенный объект, уникальный источник, излучающий узкую линию, соответствующую ассимиляции электронов и позитронов! Там же расположен точечный рентгеновский источник переменной интенсивности. Объяснить наличие всех этих источников в сравнительно маленькой области пространства можно с помощью черных дыр.
По модели Н. Кардашева, в центре Галактики должна находиться пара черных дыр. Наличие такой пары дает возможность объяснить природу и параметры компактного радиоисточника и загадочной ассимиляционной линии. Это объясняется наличием облака атомарного водорода. Такие облака были выброшены из области центрального парсека благодаря эффекту пращи. Остатки после взрыва сверхновой в массивной двойной системе (центральный парсек) так же могут служить источником позитронов, ассимиляция которых и дает наблюдаемую линию.
Перейдем теперь к проблемам, связанным с вращением Галактики. Наша Галактика вращается довольно сложным образом. Значительная часть материи Галактики вращается дифференциально. Поясним, что это такое. Хорошим примером дифференциального вращения служит вращение планет вокруг Солнца. Они движутся по своим орбитам согласно закону всемирного тяготения, и каждой планете"совершенно безразлично", как и по какой орбите двигается другая.
Есть и другой тип вращения - твердотельный. В Галактике твердотельно вращается лишь некоторый участок диска, в котором линейная скорость возрастает пропорционально радиусу.
Самым примечательным процессом в проблеме вращения является движение спиральных рукавов. В них содержится значительное количество газа и пыли, в них происходят интенсивные процессы звездообразования, молодые звезды здесь встречаются чаще, нежели в других областях Галактики. Но как и почему возникает спиральная структура?
Предположение, которое настоятельно возникает, состоит в том, что центры туманностей имеют характер сингулярных точек. В этих точках материя втекает в наш мир из некоторого иного и совершенно постороннего пространства. Тем самым обитателям нашего мира сингулярные точки представляются местами, где непрерывно рождается материя.
Сейчас мы знаем, что действительно в центрах галактик могут находиться сингулярные точки - черные дыры, что они могут по крайней мере перерабатывать материю.
Ядра галактик
В заключение хотелось бы вернуться к проблеме активности галактических ядер, поскольку эта проблема в ряде случаев тесно связана с самыми интересными и загадочными объектами Вселенной - квазарами.
В той или иной степени радиоизлучательная активность свойственна всем галактикам, и, главным образом, именно по активности в радиодиапазоне удается проследить энергетику процессов, происходящих в ядрах галактик.
До 1962 года считалось, что квазары (квазизвездные источники) расположены в пределах нашей Галактики. Эта точка зрения подкреплялась переменностью светового излучения радиоисточника 3С 48. Хорошо известно, что переменность излучения в оптике - вещь, характерная именно для звезд. Для объяснения свойств квазизвездных объектов было предложено несколько путей.
И. Циолковский предположил, что эти источники связаны с большим числом вспышек сверхновых. Ф. Хойл предложил, собрать миллионы звезд в одно сверхтело, но эта гипотеза в то время не могла перешагнуть через психологический барьер, из-за которого не допускалась в принципе возможность существования звезд с массой больше 50 масс Солнца. К тому же эти объекты должны были светить ярче целой галактики, что в то время казалось нелепостью. Но содержание идеи Хойла оказалось пророческим.
Тем временем астрономами предпринимались поистине героические попытки уточнения характеристик квазаров. Оказалось, что 3С 273 - двойной источник, причем положение компонентов было определено с точностью в 1’’. Одна из компонент оказалась обычной звездочкой 13 величины, но при внимательном анализе удалось выяснить, что из "звездочки" выходит струя длиной в 100 тысяч световых лет, которая сама является источником оптического и радиоизлучения. Анализ красного смещения линий источника 3С 273 позволил установить скорость его удаления от нас. Она оказалась огромной - 42 тысячи км/час.
Но тогда этот источник находится от нас на расстоянии около 600 мегапарсек.
Сразу же возник вопрос об интенсивности свечения этого источника в оптике. Ведь если он виден с расстояния около двух миллиардов световых лет, как звезда 13-й величины, то его светимость в сто раз превышает светимость нашей Галактики, содержащей сотни миллиардов звезд. Причем кванты квазар излучал в то время, когда Вселенная была совсем молодая.
Мы упоминали о нерешенности оптического излучения квазаров. В этом плане особенно интересен квазар 3С 279, который можно сейчас наблюдать как слабопеременную звездочку 18-й величины. Однако, на снимках, сделанных до второй мировой войны, он виден как объект почти 13 величины. Оценки показывают, что в то время 3С279 светил в десять тысяч раз сильнее нашей Галактики. Но размеры излучающей области очень малы - меньше светового года. К тому же оказалось, что и в рентгеновском диапазоне многие квазары светят в 1000 раз мощнее, чем, например, Млечный Путь.
По поводу квазаров можно сформулировать два наиболее интригующих вопроса:
Связаны ли квазары с ядрами галактик или это принципиально новый объект во Вселенной?
Какова природа чудовищного излучения квазаров?
Исследуя большие выборки квазаров, удалось установить в ряде случаев наличие у них дополнительной структуры вокруг наиболее яркого, причем иногда эта структура напоминает структуру галактик. Эти результаты убеждают нас, что квазары тем или иным образом соотносятся с ядрами галактик. Возможно, что галактики проходят через стадию квазаров, когда их ядра экстремально ярки. И тогда в ядрах других, менее ярких галактик могут находиться сейчас мертвые квазары.
Но что питает живой квазар? Каково его строение? Конечно же, при решении очередной загадки, поставленной перед нами природой, не обошлось без черной дыры.
Предполагается, что в центре квазара или в центре галактического ядра имеется компактный сверхмассивный объект - черная дыра с массой примерно в миллиард солнечных масс. Такие сверхмассивные черные дыры могут образовываться в процессе роста "обычной" черной дыры массой в несколько десятков солнечных. Впоследствии, эта дыра растет, поглощая звезды, межзвездную среду и, возможно, другие черные дыры, доводя свою массу до необходимых значений.
Затем, в результате падения газа на черную дыру, образуется аккреционный диск, вместе со всеми сопутствующими явлениями, которые могут объяснить экзотические особенности ядер галактик и квазаров.
Заключение
Галактики сейчас привлекают большой интерес астрономов, чем звезды. Это можно объяснить тем, что, с одной стороны, в общих чертах свойства звезд уже понятны к сегодняшнему дню, а, с другой стороны, ввод в строй новой астрономической техники приносит все новую и часто загадочную информацию о галактиках. Физика галактик, как мы уже видели, тесно связана с космологическими проблемами, эволюцией и строением звезд, межзвездной среды. В этой области наблюдается чрезвычайно быстрый прогресс, однако, до построения общей стройной теории происхождения и эволюции галактик еще далеко.
Литература
1. Л.Э. Гуревич, А.Д. Чернин "Происхождение галактик и звезд". Издательство "Наука", 2005 г.
2. "Звезды и галактики"
3. Л. Мухин, "Мир Астрономии" Издательство "Молодая гвардия", 1997 г.
4. "Что такое галактика?"
5. "Рождение галактик"
6. "Свойства галактик"
7. "Наша Галактика"
8. "Ядра галактик"
9. Большая Советская энциклопедия.
10. Астрономический календарь.
28-04-2015, 23:40