[ Оглавление] | [ Назад ] | [ Вперед ]
|
Глава 2. СТРУКТУРА ГАЛАКТИК. |
|
Галактики являются одними из самых красивых по форме
объектов в природе. Зрелище фотографии блистающей спиральной
галактики, полученной на современном гигантском телескопе,
вызывает чувство благоговения. Даже при наблюдении в небольшой телескоп, позволяющий увидеть лишь намек на
структуру спиральной галактики, таинственные тусклые изображения
галактик способны захватывать дух.
Почему вокруг центров некоторых галактик закручиваются
огромные спиральные рукава? Почему другие галактики пересечены яркими образованиями типа перемычек (баров)? Как
можно объяснить ровную и чистую бесструктурность третьих?
Лучший способ ответить на эти вопросы состоял в измерении
структурных параметров галактик и сравнении результатов с математическими моделями, построенными на основе различных
предположений о способе образования и составе галактик. В этой
главе мы так и поступим. Сначала исследуем результаты измерений структурных параметров галактик различных типов, а потом
посмотрим на модели, чтобы увидеть, насколько хорошо они
соответствуют действительности, и постараться понять, почему
галактики выглядят именно такими, какими мы их видим.
КАК ПОСТРОИТЬ ЭЛЛИПТИЧЕСКУЮ ГАЛАКТИКУ?
Проще всего выглядят эллиптические галактики: они ровные,
однородные по цвету и симметричные. Их почти совершенное строение наводит на мысль об их существенной простоте.
и действительно, параметры эллиптических галактик оказалось
легче измерить и подыскать под них теоретические модели, чем
сделать это для более сложных родственников этих объектов.
Рассмотрим, для примера, строение типичной эллиптической галактики NGC 1399 (см.
рис. 2 и фото
XIV (1)). В ее центре
находится яркое ядро. окруженное размытым сиянием, яркость
которого падает по мере удаления от центра. Как и у всех
эллиптических галактик, падение яркости описывается простой
математической формулой. Форма контура галактики тоже
остается почти одинаковой на всех уровнях яркости (
рис. 3). Все
изофоты представляют собой почти идеальные эллипсы, центрированные
в точности на ядро галактики. Направления больших осей и отношения большой оси к малой почти одинаковы
у всех эллипсов.
Рис. 2. Изофоты (линии постоянной яркости) большой эллиптической
галактики NGC 1399 в созвездии Печи (см. фото XIV)
|
Фундаментальная простота эллиптических галактик согласуется
с предположением о том. что они управляются небольшим числом сил. Орбиты звезд гладкие и хорошо перемешаны
и ничто, кроме гравитации, не влияет на их расположение
и никакое непрерывное звездообразование не разрушило их
правильности. Когда Хаббл впервые обратил внимание на эти
факты, он показал, что строение эллиптической галактики мало
отличается от строения простой газовой среды, формируемой
лишь гравитационными силами и состоящей из одинаковых
частиц примерно одинаковой температуры. Чтобы построить
такой объект из эвезд, надо лишь взять много похожих звезд,
расположить их рядом друг с другом в пространстве, позволить
тяготению поработать с ними и долго-долго подождать, пока
движения всех звезд не станут похожими. Не следует придавать
звездам систематических движений вроде общего вращения, но
надо удостовериться в том, что звезды выбраны тихие и благонравные,
которые не будут извергаться, выбрасывать вещество
или иным способом нарушать скучную монотонность неизменного
звездного царства. Но нет необходимости с самого начала
распределять их в идеальном шаровом объеме. Можно, например,
"сделать" из них ящик прямоугольной формы и просто
подождать некоторое время. Звезды сами в конце концов расположатся
в виде сфероида. Тяготение действует сферически
симметричным образом и, если ваша галактика управляется
только гравитацией, то она выровняется, потеряет острые углы
и станет симпатичной эллиптической галактикой.
Рис. 3. Распределение излучения в NGC 1399. демонстрирующее типичный профиль яркости для эллиптической галактики.
По вертикальной оси отложена яркость (в звездных величинах на квадратную угловую
секунду) в точках на прямой, проходящей через центр галактики в направлении восток - запад.
|
Настоящие эллиптические галактики, разумелся, не являются
совершенными сферами. Например, изофоты NCG 1399 - 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 нс 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.
ДИСКИ И БАЛДЖИ
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 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.
Рис. 4. Распределение излучения в спиральной галактике типа SBc NGC 1365
|
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 в соответствии с универсальной
математической зависимостью, которая, однако,
отличается от аналогичной зависимости для эллиптических
галактик (
рис. 4). Все диски следуют этой
зависимости - начиная от
дисков карликовых галактик
вроде GR 8 и кончая сверхгигантскими спиральными
галактиками вроде М101.
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 балжде, которые сейчас являются
старейшими. Оставшийся газ сколлапсировал в плоскость,
где медленно образовывались и вращались вместе с газом
другие звезды. Этот тонкий плоский диск 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.
ЗАГАДКА СПИРАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ
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 шторма над Карибским
морем, 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.
Рис. 5. Для того чтобы изобразить ход плотности областей звездообразования,
проходящих через рукав от внутреннего края до внешнего,
можно построить распределение областей НИ в рукаве галактики. На
этом рисунке структура спирального рукава NGC 3136 (представлена
заштрихованной гистограммой) сравнивается с предсказаниями теории
волн плотности (сплошная линия). Сходство двух кривых говорит
о том. что рукава этой галактики управляются главным образом волной плотности
|
По-видимому, самым аккуратным и элегантным для
спиральных галактик является объяснение, известное под
названием теории волн плотности. После развития шведским
астрономом Бертилом Линдбладом многих связанных с ней
теоретических идей, теория волн плотности была полностью
разработана и успешно применена в 60-х годах к галактикам
Ц. Ц. Лином и его студентами в Массачусетсском
технологическом институте. Они показали, используя математический
анализ устойчивости плоского звездного диска, что
отклонение от регулярной формы в начальном распределении
газа может стать устойчивым и постепенно превратиться
в двухрукавный спиральный узор, вращающийся значительно
медленнее звезд. Входя в рукав, звезды на время замедляются.
что приводит к повышенной плотности в рукаве, а потом
продолжают движение за фронтом волны. На границе фронта
должна возникать ударная волна в газе, которая может вызвать
процесс звездообразования, и поэтому в некоторых галактиках
наблюдается концентрация активных газовых облаков и новообразованных
звезд в рукавах (
рис. 5). Форма спиральных
рукавов в рамках этой гипотезы очень похожа на форму реальных
спиральных рукавов в небольшом количестве галактик
с "совершенной" спиральной структурой - таких, как М81.
Однако она не подходит для описания более распространенного
типа галактике чрезвычайно несовершенными рукавами - фрагментарными,
размытыми и нечеткими.
Теория, лучше всего применимая в случае таких галактику
опирается на действие весьма простых искажений любой структуры, вызываемых дифференциальным вращением галактики.
Вместо наличия постоянно существующего набора рукавов эта
гипотеза предсказывает непрерывное рождение и распад спиральных
сегментов. Многие первооткрыватели в этой области
считали, что такой метод может работать, нужно было лишь
найти способ восстановления рукавов. В 1965 г. был создан
компьютерный фильм, изображавший весь процесс в деиствии,
в этом фильме в качестве модели использовалась галактика
М31 в предположении случайного (стохастического) процесса
возникновения областей звездообразования. При рождении
такие области проявляют себя как яркие участки повышенной
активности. Вперед дифференциальное вращение вытягивает
их в длинные узкие сегменты спиральной формы, и эти области
постепенно тускнеют по мере того, как расходуется сконцентрированный
в них газ. Само собой, результатом является не
совершенный двухрукавный спиральный узор, а скорее набор
спиральных фрагментов, покрывающих галактику и придающих
ей некоторое подобие спиральной формы, но с рукавами,
которые нельзя проследить на протяжении более чем несколько
десятков градусов.
Созданные в компьютерном фильме системы по форме
напоминают многие спиральные галактики и поэтому вероятно,
что в таких объектах преобладают стохастические процессы
наподобие упомянутого выше. Это особенно верно для
некоторых видов идеальных областей звездообразования,
содержащих последовательность участков на разной стадии
активности: спереди находится гигантское молекулярное
облако, которое собирается конденсироваться в звездное
скопление, за ним - газовое облако, освещенное и потерявшее
часть газа из-за наличия в нем только что образовавшихся
звезд, а за облаком - стареющее и медленно распадающееся
звездное скопление, относительно свободное от газа.
Эта последовательность областей имеет примерно линейную
форму и будет вытянута дифференциальным вращением в сегмент
спирального рукава. Результатом является спиральная
галактика, образованная разрозненными фрагментами спиральных
рукавов. Следовательно, стохастическая теория, кажется,
в состоянии объяснить форму как раз тех галактик, которые не
могут быть описаны теорией волн плотности. Таким образом,
нам, может быть, не нужны другие идеи - нужно всего лишь
терпение в проведении подробных измерений, необходимых для
сравнения свойств спиральных рукавов с различными версиями
каждой из теорий.
Рис. 6. Изофоты NGC 1350
галактики типа SBa, демонстрирующие барообразную структуру в центральной области
|
Существует, однако, еще одна возможность. Любое возмущение
диска может приводить к скоплению газа. что
будет проявляться в виде спиральных рукавов или спиральных
сегментов. Возмущение может исходить извне или же
изнутри - из собственного ядра галактики. Одна из возможностей
первого типа состоит в том, что межзвездный газ
может втекать в галактику, образуя спиральные рукава.
Эта гипотеза не очень привлекательна, так как газ будет
преимущественно со стороны полюсов, где нет достаточного
количества другого газа для столкновения, и известно
очень мало случаев, когда спиральные рукава не лежат
в плоскости диска. Более привлекательным внешним агентом
может быть приливное воздействие других галактик при
близких прохождениях. Приливы, порождаемые близкими
прохождениями, почти столкновениями - воздействуют на
звезды и газ и могут исказить форму галактики в достаточной
степени для возникновения неправильных образований,
которые в ходе вращения приобретут спиральную форму.
Это красивая идея, но ее недостаток - в необходимости
близкого прохождения другой
галактики. К сожалению, расстояния между галактиками
слишком велики, чтобы этот
механизм мог быть эффективным в большинстве случаев.
Однако в том, что касается прохождений галактик вблизи друг
друга, нас могут ожидать сюрпризы. Недавние определения
темпов звездообразования показывают. что в близко расположенных
друг к другу галактиках темп звездообразования
аномально велик - особенно в ядрах. Может быть, окажется,
что приливные эффекты включаются гораздо легче, чем мы
сейчас думаем.
Нет убедительных свидетельств в пользу возникновения
спиральных рукавов в результате активности в ядрах галактик,
но в этих таинственных и бурных областях происходит
достаточно событий, чтобы появилась подобная гипотеза.
В радиогалактиках (
глава 11) и квазарах (
глава 12)
- наблюдаются очень высокоэнергетические процессы в ядрах
галактик, многие из которых выбрасывают огромные потоки
газа даже за видимые пределы галактики. Возможно, активность
этого типа может каким-то образом приводить к образованию
спиральных рукавов, но в настоящее время эта
гипотеза весьма расплывчата и не подкрепляется разумной
физической моделью.
Рис. 7. Изофоты пересеченной спиральной галактики NGC 1365 типа SBb
|
БАРЫ
У многих спиральных галактик есть еще одна замечательная
структурная особенность, обычно некоторым образом связанная
со спиральными рукавами: большая концентрация звезд
в форме бруска (бара), пересекающая ядро и простирающаяся
симметричным образом в обе стороны (
рис. 6 и
7). Данные
измерений скоростей в них показывают, что бары вращаются
вокруг ядра как твердые тела, хотя, разумеется, они на самом
деле состоят из отдельных звезд и газа. Бары, встречающиеся
в галактиках SO или Sa, более ровные и состоят исключительно
из звезд, в то время как бары в галактиках типов Sb, Sc и Irr
часто содержат много газа и пыли. Все еще идут споры о движениях газа в этих барах.
Некоторые данные свидетельствуют
о том, что газ течет наружу вдоль бара, а по другим данным,
он течет внутрь. В любом случае, существование баров не
удивляет астрономов, изучающих динамику галактик. Численные
модели показывают, что неустойчивости в диске вращающейся
галактики могут проявляться в форме бара, напоминающего наблюдаемые.
ПОРЯДОК ИЗ ХАОСА
Характеристики неправильных галактик не являются
совершенно иррегулярными. У них много общих черт, служащих
указанием на причины хаотичности их видимой формы (
рис. 8)
Все эти галактики богаты газом и почти все содержат много
молодых звезд и облаков светящегося ионизованного газа, часто
исключительно больших и ярких. Ни одна из галактик не
имеет центрального балджа или какого-нибудь реального ядра.
Распределение яркости неправильных галактик в среднем падает
при переходе от центра наружу по такому же математическому
закону, как в спиральных галактиках. Многие из них
имеют в центральных областях сутруктуры типа бара - особенно
хорошим примером является Большое Магелланово Облако (см.
главу 6).
Рис. 8. Изофоты неправильной галактики NGC 4449. Кружком над
масштабной линейкой показан размер фотоэлектрической диаграммы
направленности
|
Важным намеком на то, как образуются неправильные галактики,
являются результаты сравнения их светимостей со
светимостями спиральных галактик
(2). Почти все они значительно
слабее даже наименее ярких спиральных галактик. Спиральная
галактика М33, представляющая примерно нижнюю границу
диапазона светимостей спиральных галактик, все еще
ярче Большого Магелланова Облака - одной из ярчайших не
правильных галактик. Итак, отсутствие спиральных рукавов
у неправильных галактик, по-видимому, связано с их малостью.
Возможно, это связано также с величиной углового момента
галактики и интенсивностью турбулентных движений в ней.
Плоскости неправильных галактик относительно толще, чем
у спиральных; это позволяет предполагать, что вращение звезд
и газа столь медленное, что спиральные рукава не возникают.
С другой стороны, если вращение было бы слишком медленным,
то галактика не сплющилась бы до плоскости - неважно,
толстой или тонкой - и образовалась бы массивная карликовая
эллиптическая галактика.
На самом деле мы не можем с уверенностью сказать,
какова связь карликовых эллиптических и карликовых неправильных галактик.
Согласно традиционным представлениям, звезды в эллиптических галактиках
очень старые (их возраст 10 и более миллиардов лет), в то время как
неправильные галактики содержат как старые, так и молодые звезды. Однако
существуют некоторые свидетельства в пользу того, что в некоторых
карликовых эллиптических галактиках - например, в карликовой
галактике в созвездии Киля - еще 2-3 миллиарда лет назад происходил
активный процесс звездообразования, и во время этих эпизодов они
могли выглядеть, как карликовые неправильные галактики. Это важный
вывод, так как динамические объяснения различий галактик этих двух типов
придется отвергнуть в случае, если они могут свободно
переходить из одного типа в другой и обратно.
Хотя мы и продвигаемся вперед, еще многое надо узнать
о строении галактик. Мы можем достичь большего, чем просто
описывать различия, мы можем для многих из них дать объяснения.
Однако число нерешенных проблем достаточно велико
и астрономам придется творчески обдумывать их на протяжении многих лет.
(1) Большинство галактик довольно яркие и были включены и каталог
незвездных объектов, созданный а XIX в. Дж. Л. Е. Дрейером.
так называемый Новый общий каталог (по-английски New General
Catalogue - отсюда и номера NGC). Слабые галактики называются по
каталогам (более поздним), в которые они попали (например, квазар
ЗС 273 это объект номер 273 в Третьем Кембриджском каталоге
радиоисточников).
(2) Блеск звезды или
галактики измеряется в звездных величинах. Звезды с малыми величинами -
яркие, а с большими - слабые. Звезды первой величины находится среди
примерно дюжины ярчайших звезд ночного неба, в то время как звезда
шестой величины - это приблизительно самая слабая звезда, видимая
без телескопа. Самые слабые обнаруженные галактики имеют 24-ю величину.
Эта логарифмическая шкала устроена так, что ряд шести последовательных
звездных величин соответствует изменению блеска в 100 раз.
Обычно упоминаемые величины объектов относятся
к их видимому блеску при наблюдениях с Земли. Однако когда астрономы хотят
описать истинную светимость звезды или галактики, то они говорят об
абсолютной звездной величине, которая представляет собой звездную
величину объекта, которую бы он имел, если его поместить на стандартном
расстоянии 10 парсеков. Например, абсолютная звездная величина
галактики Андромеды составляет -21.6, она имеет исключительно
высокую светимость, в то время как видимая звездная величина ее
всего 4,4. Это большое различие является результатом большого расстояния
галактики от Земли - около 600 000 парсеков (2 000 000 световых лет)
вместо стандартных 10 парсеков, используемых для определения
абсолютной звездной величины.
[ Оглавление] | [ Назад ] | [ Вперед ]