Физика галактик и галактических ядер

1. Общие сведения о галактиках

Около 70 лет назад первые работы по определению расстояний до ближайших галактик показали истинные масштабы доступной наблюдениям Вселенной, положив начало исследованию далеких звездных систем. Стало очевидным, что почти все видимое вещество во Вселенной сосредоточено в этих гигантских звездно-газовых островах с характерным размером от нескольких килопарсек до нескольких десятков килопарсек. Солнце вместе с окружающими его звездами также входит в состав спиральной галактики, название которой всегда пишется с заглавной буквы – Галактика. Типичное количество звезд с такой же светимостью, как у Солнца, или более высокой, в галактиках от нескольких десятков миллионов (в карликовых системах) до нескольких десятков миллиардов (в гигантских галактиках типа нашей), причем слабых звезд может быть существенно больше.

Расположение Солнца в нашей Галактике довольно неудачное для изучения этой системы как целого: мы находимся вблизи плоскости звездного диска, и уже это создает проблему выявления его структуры и сопоставления отдельных частей друг с другом. К тому же в области, где расположено Солнце, довольно много межзвездного вещества, поглощающего свет и делающего звездный диск почти непрозрачным для видимого света в некоторых направлениях, особенно в направлении ее ядра. Поэтому исследования других галактик, представляющие самостоятельный интерес, играют также громадную роль и в понимании природы нашей Галактики.

Межгалактическое пространство, в отличие от межзвездного, хотя и содержит разреженный газ, совершенно прозрачно для всех видов излучения. Это дает принципиальную возможность наблюдать другие галактики, на каком бы расстоянии от нас они ни находились. Поэтому крупным телескопам оказались потенциально доступными для исследования сотни миллионов отдельных галактик. Однако для детального изучения требуется, чтобы галактика была сравнительно близко – в пределах нескольких сотен миллионов парсек.

Грубое разделение галактик на эллиптические (Е), спиральные (S) и неправильные (Ir) оказалось очень удачным. Такая классификация галактик отражает не только особенности их видимой формы, но и свойства входящих в них звезд: Е-галактики состоят из очень старых звезд, в Ir-галактиках основной вклад в излучение дают звезды, существенно моложе Солнца, а в S-галактиках характер спектра показывает присутствие звезд всех возрастов.

Изучение звездных спектров галактик привело к открытию фундаментальной важности. За редчайшими исключениями (известны молодые карликовые галактики) возраст галактик оказался примерно одинаковым (более 10 млрд лет), и основная причина различия между галактиками не в возрасте, а в характере эволюции этих систем. Если в Е-галактиках звездообразование практически полностью прекратилось миллиарды лет назад, то в спиральных системах образование звезд продолжается, хотя и далеко не так интенсивно, как на начальном этапе их жизни, а в Ir-галактиках звездообразование может быть сейчас столь же активно, как и миллиарды лет назад.

Как "устроены" галактики? Упрощенно можно считать, что каждая из них содержит две основные подсистемы (два компонента), вложенные одна в другую и гравитационно-связанные друг с другом. Первая называется сферической, ее звезды концентрируются к центру галактики, а плотность вещества, высокая в центре галактики, довольно быстро падает с удалением от него. Вторая подсистема – это массивный звездный диск.

Типичная Е-галактика выглядит как сферическая подсистема в "чистом" виде, диск в ней или полностью отсутствует или имеет такую низкую светимость по сравнению с остальной галактикой, что выявляется лишь специальными методами фотометрической обработки. Е-галактики, как и сферические компоненты у галактик других типов, почти лишены межзвездного газа (не считая разреженного и очень горячего газа, заполняющего всю галактику), а следовательно, и молодых звезд. В S-галактиках имеется как сферический компонент, так и массивный звездный диск, причем светимость последнего в большинстве случаев значительно преобладает. В неправильных (Ir) галактиках сферический звездный компонент практически отсутствует, почти все звезды заключены в толстом диске, существенная доля массы которого приходится на межзвездный газ. Сферическое гало этих галактик образовано преимущественно темным, несветящимся веществом (подробнее об этом см. ниже).

Структура спиральных галактик хорошо видна на фотографиях, приведенных на рис. 1 и 2. На рис. 1 изображена галактика, в диске которой прекрасно выделяются спиральные ветви, а на рис. 2 диск наблюдается "с ребра", так что ветвей не видно.

Рис. 1. Многорукавная спиральная галактика М 101 в созвездии Большой Медведицы. Светлые пятна в спиральных ветвях – области активного звездообразования

Основные наблюдаемые особенности галактик определяются их физическими характеристиками, наиболее важные из которых следующие: 1) скорости вращения и относительные массы дискового и сферического компонентов; 2) интенсивность происходящего звездообразования на единицу светимости галактики или на единицу массы газа в ее диске; 3) характер активности галактического ядра и выделяемая им энергия.

Рис. 2. Спиральная галактика М 104 (Сомбреро) в созвездии Девы, диск которой наблюдается "с ребра"

Как показали исследования последних лет, эти характеристики оказываются прямо или косвенно связанными с динамическими свойствами звезд и газа, что является ключевым моментом в их изучении.

2. Движение звезд, газа и присутствие невидимого вещества

Первые астрофизические наблюдения галактик с использованием "классического" физического прибора – щелевого спектрографа – были проведены еще в 1917-1918 годах, то есть еще до того, как была окончательно установлена их природа. Результатом этих наблюдений было открытие вращения внутренних областей спиральных галактик, вернее, содержащегося в них газа, дающего линейчатый спектр. Сейчас мы знаем, что свечение газа в оптических эмиссионных линиях связано с горячими звездами, ультрафиолетовое излучение которых заставляет газ флюоресцировать, но в те далекие годы даже сама идея о внегалактической природе наблюдаемых объектов многим представлялась сомнительной. Лишь много позднее, с появлением нового поколения наблюдательной техники, были измерены скорости движения не только газа, но и совокупности звезд (по их спектру поглощения), а вращение газа прослежено до очень больших расстояний от центра, во многих случаях превышающих оптический размер галактики. Но способ измерения скоростей движения остался тем же самым: он основан на эффекте Доплера, хорошо известном в физике.

Для измерения скоростей движения звезд и газа в галактиках используют как спектрографы различных конструкций, так и оптические интерференционные приборы, позволяющие одновременно получить информацию о скоростях движения во многих тысячах точек галактики. Для этого совсем не обязательно измерять скорости индивидуальных звезд или облаков газа – это возможно только для самых близких галактик. Обычно приходится исследовать спектр интегрального излучения, который складывается из спектров большого количества индивидуальных источников, неразличимых по отдельности.

Скорости газа, в отличие от звезд, оказалось возможным измерять не только в оптическом диапазоне спектра, но и совершенно независимым путем, по радиоизлучению. Чаще всего для этого используются наблюдения в радиодиапазоне самого распространенного газа в природе – нейтрального водорода на частоте 1420 МГц (длина волны без учета эффекта Доплера – 21 см), а также по линиям молекул СО в миллиметровом диапазоне радиоволн.

Наблюдения как нашей, так и других галактик показали, что характер движения звезд и газа не одинаков, и это очень важно для понимания тех физических процессов, которые определяют наблюдаемое многообразие свойств галактик. Оказалось, что газ вращается быстрее, чем старые звезды. Если характерные скорости вращения газа в галактиках составляют 150-300 км/с (рекорд скорости – 500 км/с – держится уже длительное время, но это исключительный случай), то звезды в сферических системах всегда медленно вращающиеся. Балджи S-галактик, состоящие из старых звезд, вращаются в два-три раза медленнее, чем диски, а у звезд Е-галактик скорость вращения совсем низкая и обычно не превышает нескольких десятков км/с. Таким образом, Е-галактики – это системы с низким угловым моментом (моментом вращения). Они состоят из звезд, летящих по всем направлениям примерно с одинаковыми скоростями.

Миллиарды звезд, двигающихся по всевозможным орбитам в галактике, можно рассматривать как совокупность частиц, образующих своего рода звездный газ. Его свойства во многом близки к свойствам обычного газа, к нему приложимы такие понятия, как плотность, концентрация частиц, давление и даже температура: аналогом температуры обычного газа здесь является средняя энергия неупорядоченного движения звезд.

Звездный газ – это среда особого рода. Если в обычном газе быстро устанавливается определенная температура за счет непрерывных столкновений и обмена импульсами между отдельными частицами – молекулами или атомами, то в случае звезд ситуация иная: они разделены такими расстояниями, что не только не сталкиваются друг с другом, но даже редко сближаются настолько, чтобы изменились их энергии или скорости. Такая среда называется бесстолкновительной. Все взаимодействия между частицами звездного газа происходят на расстоянии, через их гравитационные поля. Поэтому часто распределение звезд по скоростям довольно сильно отличается от того, какое должно быть в изотермическом газе (в последнем случае оно называется максвелловским). Но, как оказалось, при некоторых условиях обмен импульсами все же может происходить достаточно быстро, особенно в динамически холодных системах. Например, во вращающемся диске, образуемом бесстолкновительным звездным газом, могут даже распространяться волны сжатия и разрежения, наподобие звуковых. Этот парадокс связан с тем, что отдельно взятая звезда реагирует больше не на гравитационные поля своих близких соседей, а на поле всей совокупности звезд, образующих галактику. Иными словами, галактика в целом ведет себя как единая система, где все частицы взаимосвязаны силами тяготения. Процессы, происходящие благодаря такому единению, называют коллективными процессами.

Исходя из наблюдений, можно заключить, что звездный газ, образующий эллиптические галактики и сферические подсистемы спиральных галактик, является динамически "горячим": звезды быстро движутся по всевозможным направлениям, так что среднее различие между скоростями пространственно близких звезд (дисперсия скоростей) составляет для них сотни км/с. Для дисков ситуация иная: старые звезды, составляющие их основную массу, представляют собой значительно более "холодную" систему (дисперсия скоростей обычно 50-100 км/с), но зато с более быстрым вращением. Но самая низкая динамическая температура наблюдается у совокупности газовых облаков в диске галактики и у молодых звезд, которые из этих облаков образуются, и поэтому сохраняют те же особенности движения. Дисперсия их скоростей в большинстве наблюдаемых галактик близка к 10 км/с, что в 15-30 раз меньше, чем скорость вращения вокруг центра.

Причина такого различия кроется в неодинаковых свойствах звездных и газовых "частиц". Более десяти миллиардов лет назад, когда галактики только формировались, первыми образовались именно сферические компоненты. Звезды возникли из газа, заполнявшего весь объем галактики, либо родились в более мелких системах, которые гравитация собрала вместе и перемешала (возможны оба варианта) – в галактике появилось много звезд на вытянутых орбитах с большими радиальными скоростями. Эта особенность движений звезд сферической составляющей сохранилась до наших дней.

Молодая формирующаяся галактика содержит много газа. В отличие от звезд, образующих бесстолкновительную систему, газовые облака неупруго сталкиваются друг с другом, часть энергии при каждом столкновении переходит в тепло и уходит из галактики в виде электромагнитного излучения. Поэтому систему газовых облаков называют столкновительной и диссипативной (то есть теряющей свою энергию). Полная энергия газа (кинетическая + потенциальная) стремится стать как можно меньше. Однако момент вращения сохраняется и при потере энергии, и поэтому облака не могут затормозить своего вращения вокруг центра галактики. Теряя энергию, они приближаются к центру, увеличивая скорость вращения и "округляя" при этом свои орбиты. Теряется энергия лишь хаотических движений (их суммарный момент вращения равен нулю). По мере уменьшения полной энергии газ стремится образовать такой вращающийся диск, который будет динамически холодным (беспорядочные скорости малы), так что его кинетическая энергия окажется заключенной в основном во вращательном движении. Поэтому одновременно с формированием сферической составляющей галактики в ней рождался и уплотнялся газовый диск. Газ постепенно переходил в звезды. Таким путем возникли галактические диски, в которых траектории движения звезд и газа несильно отличаются от окружностей.

То, что движение облаков газа и молодых звезд происходит почти по окружностям, позволяет получить из спектральных наблюдений зависимость скорости кругового вращения от расстояния до центра галактики. Кривая, графически выражающая эту зависимость, называется кривой вращения галактики. Скорость вращения на данном радиусе характеризует массу галактики в пределах этого радиуса, а общая форма кривой отражает особенности распределения массы, крупномасштабную структуру галактики.

Кривые вращения получены для нескольких сотен галактик. Первые кривые вращения были достаточно короткими и описывали вращение лишь внутренних областей галактик; это связано с тем, что спектры регистрировались фотографически и чувствительности фотоэмульсии не хватало для регистрации слабых спектральных линий на большом расстоянии от центра. Использование фотоэлектрических усилителей яркости (электронно-оптических преобразователей), а позднее – полупроводниковых матричных детекторов позволило повысить точность измерений и довести кривые вращения почти до оптической границы диска. Радионаблюдения нейтрального водорода в галактических дисках продвинули кривые еще дальше. Особенную ценность представляют галактики, содержащие много газа: скорость вращения для некоторых из них удалось проследить до расстояния, в несколько раз превышающего оптический радиус, на котором еще наблюдается звездное свечение.

Оптические и радионаблюдения удачно дополняют друг друга: в радиолинии 21 см галактика выглядит "нерезкой", поэтому скорости внутренних областей галактик точнее измерять по оптическим наблюдениям, а вращение внешних областей из-за их низкой яркости, наоборот, надежнее определять по радиоданным.

Примером такой галактики, где совместные радио- и оптические наблюдения привели к измерению скоростей вращения газа на очень большом интервале расстояний R от ядра, является спиральная галактика NGC 157, кривая вращения которой приведена на рис. 3. Вращение газового диска галактики прослеживается почти до 50 кпк от центра, в то время как следы оптического диска практически исчезают на расстоянии 15 кпк. Оптические наблюдения осуществлялись с помощью интерферометра Фабри-Перо на крупнейшем в России телескопе – 6-метровом рефлекторе Специальной астрофизической обсерватории РАН, а наблюдения в радиолинии водорода – на радиоинтерферометре VLA в США. Отдельные кривые показывают составляющие кривой вращения, обусловленные балджем, диском, межзвездным газом и темным гало (о нем речь пойдет ниже). Они характеризуют вклад каждого компонента в гравитационный потенциал галактики на данном расстоянии от центра.

Анализ кривых вращения и распределения наблюдаемой яркости внутри галактик, полученных только по оптическим спектрам, привел исследователей к выводу, что в галактиках всех типов, кроме эллиптических, звездный диск не только по светимости, но и по массе в большинстве случаев превосходит сферическую звездную составляющую. Но первые же кривые вращения, построенные с учетом радионаблюдений, которые начали получать еще в 60-х годах, преподнесли астрономам сюрприз: масса сферической составляющей, возможно, совсем не такая маленькая, какой ее обычно полагали.

Рис. 3. Наблюдаемая кривая вращения cпиральной галактики NGC 157 и результаты ее моделирования (разделения на компоненты). Светлые кружки – оптические наблюдения, звездочки – радионаблюдения в линии нейтрального водорода. Вклад темного гало становится преобладающим только на очень больших расстояниях от центра. Оптический радиус галактики менее 15 кпк

Если считать, что вся масса в галактиках заключена в их звездных компонентах, то скорость вращения на периферии галактики должна уменьшаться с увеличением расстояния от ее центра. Но оказалось, что чаще всего этого не происходит: скорость вращения, как правило, держится примерно на постоянном уровне даже там, где уже не видно никаких следов присутствия звезд. Это несоответствие только обострилось, когда в 80-х годах до внешних областей галактик "дотянулись" и оптические кривые вращения: они во многих случаях также оказались "плоскими". У неправильных галактик на тех расстояниях, где звездное свечение уже кончается, скорость вращения не только не уменьшается, но, как правило, продолжает возрастать с расстоянием от центра.

Несколькими группами исследователей независимо была обоснована идея, что, помимо балджа и диска вместе с находящимся в них наблюдаемым газом, в галактиках присутствуют большие массы несветящегося вещества, составляющего, по-видимому, очень протяженный сферический компонент, плотность которого выше плотности звездных компонентов на большом расстоянии от центра. Эта невидимая cреда получила название темного гало (или "скрытой массы"). Хотя ситуация не одинакова в различных галактиках, невидимое вещество даже в спиральных галактиках, не говоря о неправильных, в большинстве случаев по крайней мере удваивает полную массу в границах звездного диска и продолжает увеличивать ее за видимыми границами галактики. Заметим, что галактика NGC 157, кривая вращения которой приведена на рис. 3, представляет собой нетипичный случай: в области оптического диска (до 13-15 кпк) вклад гало незначителен, поэтому в подобных случаях скорость вращения за пределами оптического диска падает. Однако, как видно из приведенной кривой, на больших расстояниях от центра она все же не стремится к нулю, а держится на уровне примерно 100 км/с, свидетельствуя о наличии темного гало и в этой галактике, только более скромного по массе и более протяженного, чем в большинстве других.

Вывод о присутствии темного вещества был сделан и для Е-галактик. В них не наблюдается протяженных газовых дисков, но массу этих галактик можно оценить иначе, чем у спиральных. Внеатмосферные наблюдения в рентгеновской области спектра привели к открытию очень горячего газа в самих галактиках и в их непосредственном окружении. Этот газ удерживается гравитационным полем галактики, поэтому измерение температуры и размера заполняемой им области позволяет вычислить требуемую для этого массу галактики. Результат оказался тем же, что и для галактик других типов: если во внутренней области по массе преобладает звездное население, то начиная с некоторого расстояния масса уже определяется невидимым веществом.

Вывод о существовании больших масс невидимого вещества в галактиках кажется настолько вызывающим, что время от времени в научной литературе появляются работы, где предлагается "избавиться" от него ценой модификации фундаментальных законов физики. Вряд ли есть необходимость в таком подходе, поскольку существуют независимые свидетельства наличия большого количества материи во Вселенной, ненаблюдаемой непосредственно (например, из оценок распространенности химических элементов тяжелее водорода на базе космологической теории горячей Вселенной, или из сравнения оценок средней плотности вещества Вселенной, найденных по скорости ее расширения, и по числу галактик в единице объема).

Для объяснения природы темного гало в галактиках используют два подхода. Согласно первому, невидимая масса связана с большим количеством холодных тел, состоящих из обычных атомов. Они не излучают электромагнитных волн, и единственная возможность их обнаружить – по гравитационному влиянию на другие тела или на излучение. Это, например, тела, промежуточные по массе между звездами и планетами, а также многочисленные плотные и холодные молекулярные облачка, которые движутся подобно звездам, но их нельзя обнаружить стандартными методами из-за низкой температуры. Определенную долю "скрытой" массы могут составлять и компактные остатки давно закончивших свое развитие и "погасших" звезд.

Самый перспективный путь обнаружения невидимых объектов в нашей Галактике предложил американский астрофизик Богдан Пачинский. Его идея заключается в выявлении темных маломассивных тел (с массами, как у самых маломассивных звезд или у планет), проектирующихся на области, очень богатые слабыми звездами (например, на балдж нашей Галактики, или на ближайшие к нам галактики – Магеллановы Облака). Когда невидимое тело, двигаясь в пространстве, случайно оказывается на одном луче зрения с далекой звездой, то его гравитационное поле обязательно должно привести к значительному одноразовому возрастанию видимой яркости звезды, которое может наблюдаться в течение нескольких дней или недель. Этот эффект получил название гравитационного микролинзирования. Для того чтобы зафиксировать эти редкие явления, требуются долговременные наблюдения за миллионами звезд фона на выбранном участке неба. Такие наблюдения в настоящее время проводятся несколькими исследовательскими группами, и ряд ожидаемых событий уже зафиксирован, но результаты пока слишком малочисленны для уверенных выводов о том, какая доля массы невидимого гало приходится на темные объекты.

Второй подход связывает невидимую массу, преобладающую в окрестностях галактик, со сплошной средой, которая состоит не из атомов, а из элементарных частиц с ненулевой массой покоя, слабо взаимодействующих с обычным веществом через другие силы, помимо гравитационных. Физика элементарных частиц и космология предлагают несколько возможных типов частиц такого рода, на долю которых могла бы приходится основная масса Вселенной, но среди предлагавшихся на эту роль частиц лишь нейтрино известно экспериментаторам. Проверка этих предположений и поиски гипотетических частиц – дело будущего.

3. Движение газа и звездообразование

Самым важным физическим процессом, определяющим основные наблюдаемые свойства галактики, является образование звезд из межзвездного газа. Это сложный, многоступенчатый процесс, исследование которого – одна из важнейших задач, решаемая внегалактической астрономией.

Рождение звезд происходит почти исключительно в дисках галактик. Газ, оставшийся когда-то давно после образования основной массы звездного диска, перемешался с течением времени с тем газом, который постоянно сбрасывают с себя стареющие звезды, дожил до нашей эпохи и продолжает производить новые поколения молодых звезд, хотя и не так интенсивно, как миллиарды лет назад. Полная масса этого межзвездного газа в таких галактиках, как наша, обычно составляет несколько миллиардов масс Солнца. Он вращается вокруг центра галактики, находясь вблизи плоскости симметрии звездного диска, где образует сравнительно тонкий слой толщиной в несколько сотен световых лет. Именно в этом слое и возникают массивные газовые конденсации, внутри которых газ постепенно сгущается в сравнительно небольшие и плотные молекулярные облака, а они уже дают начало звездам и молодым звездным группировкам. В S-галактиках самые крупные по размеру области, где концентрируется газ и связанные с ним очаги звездообразования, располагаются длинными неровными цепочками, которые придают клочковатый вид спиральным ветвям.

Размер протяженных областей, в которых концентрируются молодые звезды и звездные скопления, примерно одинаков в самых различных галактиках – несколько сотен парсек. Советский астроном Ю.Н. Ефремов, доказавший существование ячеек звездообразования такого размера в нашей и соседних с ней галактиках, дал им название молодых звездных комплексов. В спиральной галактике их может быть несколько десятков. Радионаблюдения показали, что этим комплексам соответствуют гигантские облака газа ("сверхоблака"), очень неоднородные по структуре. Именно в них появляются условия для зарождения звезд. Но как возникают они сами? Только гравитация может представлять силу, способную собрать большие массы газа. Ключ к пониманию того, как это может происходить, дало сравнение темпов звездообразования в различных областях галактик.

Галактики очень сильно отличаются друг от друга по интенсивности происходящего в них звездообразования. Но количественно сравнить темпы образования звезд в них – задача непростая, поскольку, за исключением ближайших галактик, молодые звезды не видны по отдельности из-за большого расстояния. Обычно используются три наиболее надежных признака, характеризующих активность звездообразования: 1) цвет галактики (молодые массивные звезды делают его более голубым); 2) яркость свечения газа в оптических спектральных линиях, которое возникает при облучении газа ультрафиолетовым светом молодых звезд; 3) мощное излучение "теплой" межзвездной пыли. Пыль здесь играет роль преобразователя световой энергии: она поглощает свет молодых звезд, расположенных в областях с высокой плотностью межзвездной среды, и переизлучает захваченную энергию в далекой инфракрасной области спектра (в основном в спектральном диапазоне 50-500 мкм), а это излучение регистрируется методами внеатмосферных наблюдений. Модельные количественные оценки, основанные на этих критериях, показывают, что в таких галактиках, как наша, современные темпы звездообразования не особенно впечатляющи – за период в миллион лет в среднем образуются молодые звезды с суммарной массой 5-10 миллионов масс Солнца. Это достаточно типичная цифра для галактик. В среднем (только в среднем!), чем больше газа содержится в диске, тем интенсивнее звездообразование, так что если разделить массу рождающихся в единицу времени звезд на массу межзвездного газа, то полученная величина не будет сильно зависеть от размера галактики или количества газа в ней и составит для большинства галактик несколько масс Солнца в год в расчете на десять миллиардов солнечных масс газа. Это отношение темпов звездообразования к массе газа, участвующего в нем, называют эффективностью образования звезд (ЭОЗ). Чем выше ЭОЗ, тем благоприятнее условия для звездообразования и тем быстрее галактика истощит свои запасы межзвездного газа – он будет переходить в звезды, пока его плотность не станет чрезвычайно низкой. Поэтому в галактиках, сохранивших много газа (например, в Ir-галактиках, где газ составляет иногда 30-50 % от массы диска), ЭОЗ должна быть сравнительно низкой.

Чем же обусловлена величина ЭОЗ? Первый физический механизм, приводящий к увеличению ЭОЗ, связан с наличием спиральных ветвей в галактиках. Механизм возникновения спирального узора, причина его долгоживучести, характер взаимодействия с газом остаются важнейшими и далеко еще не решенными проблемами физики галактик, несмотря на активную работу теоретиков и наблюдателей в этой области. Рассмотрим подробнее, что кроется за видимой картиной спиралей.

Вернемся к кривым вращения спиральных галактик. Точки, полученные по измерениям скоростей, никогда не лежат точно на гладкой кривой, "отскакивая" то в одну, то в другую сторону от нее. Для этого может быть три причины: 1) ошибки наблюдений; 2) существование локальных нарушений кругового движения газа, связанных, например, с мощными областями звездообразования, где излучение молодых звезд способно передать межзвездному газу большую энергию; 3) наиболее интересная: на круговое движение газа накладываются систематические волнообразные движения, связанные с его упорядоченными колебаниями в диске. Газовые облака осциллируют (по всем трем координатам) относительно положения равновесия на круговой орбите с амплитудой, иногда достигающей нескольких десятков км/с. Эти осцилляции газа не всегда можно выявить по кривым вращения, здесь требуется подробный математический анализ измерения скоростей газа в тысячах точек на диске галактики. Современная техника позволяет провести такие исследования и выявить систематические отклонения от чисто кругового движения методом фурье-анализа.

Колебания скоростей газа связаны с тем, что по вращающемуся диску большинства галактик распространяются волны уплотнения или спиральные волны плотности (линии равных фаз этих колебаний имеют вид спиралей). Они обегают диск за несколько сотен миллионов лет с постоянной угловой скоростью. По-видимому, единого механизма возбуждения таких колебаний нет. Среди возможных рассматриваются и гравитационные, и газодинамические неустойчивости вращающегося диска, и гравитационное воздействие на газ и звезды со стороны вытянутого звездного уплотнения (называемой перемычкой), нередко наблюдаемого во внутренних областях S-галактик, и, наконец, влияние близких галактик, возбуждающих своим гравитационным полем волны в диске. Все они в состоянии вызвать образование спиральных волн плотности. Именно эти волны ответственны за появление длинных упорядоченных спиральных ветвей галактик, таких красивых на фотографиях.

Волны непрерывно "прокатываются" как по газовому, так и по звездному диску, но из-за того, что звездный газ – это динамически более горячая среда, амплитуда колебаний плотности звездного диска редко бывает высокой. Иное дело межзвездный газ: благодаря свойствам диссипативности его отклик на волну сжатия может быть очень сильным. Газ в спиральной волне сжимается, часто наблюдаются признаки ударной волны там, где волна плотности достаточно сильная. Как показывают теоретические расчеты, при сжатии газа вслед за его кратковременным нагревом наступает фаза охлаждения, так как с возрастанием плотности газа растет и его способность терять тепловую энергию, которая уносится излучением. Все это приводит к активизации образования холодных газовых облаков и их комплексов, и в конечном счете к возникновению очагов звездообразования, обычно наблюдаемых вдоль спиральных ветвей.

Другой механизм, стимулирующий звездообразование, – это гравитационная неустойчивость газового диска, возникающая когда средняя плотность газа на данном расстоянии от центра достигает определенной критической величины. Рост неустойчивости приводит к появлению крупномасштабных конденсаций в диске (сверхоблаков), характерные расстояния между которыми составляют 1-3 кпк. Один из авторов этой идеи американский астрофизик Р. Кенникатт первым показал, что темпы звездообразования в галактиках становятся очень низкими именно там, где плотность опускается ниже критического значения для гравитационной устойчивости. Этот порог плотности определяется теоретически, он зависит прежде всего от угловой скорости вращения газового диска и ее производной по радиусу. Следовательно, и в данном случае кинематика газа в галактике играет ключевую роль.

Еще один механизм, способствующий более интенсивному звездообразованию, также связанный с движением газа, был обнаружен при изучении взаимодействия близких галактик (термин "взаимодействующие галактики" был предложен советским астрономом Б.А. Воронцовым-Вельяминовым, первым начавшим систематическое исследование галактик в парах или тесных группах с заметными искажениями формы). Если галактики в своем движении подходят близко друг к другу, то они могут испытывать сильное взаимное гравитационное воздействие на расстоянии, еще не соприкасаясь, а при очень близком прохождении или при взаимном проникновении оно становится особенно сильным. В этом случае галактики могут даже слиться друг с другом за несколько сотен миллионов лет, отдав звездному газу избыток энергии своего относительного движения (как происходит такой процесс, наглядно показали численные эксперименты). Влияние гравитационного поля соседней галактики приводит к изменению орбит звезд, но особенно сильно на внешнее воздействие реагирует газ в силу того, что он образует наиболее динамически "холодную" систему. Происходит своего рода перемешивание орбит облаков, резко возрастает частота их столкновений, увеличиваются потери тепловой энергии газа. В итоге, как и в спиральных волнах плотности, ускоряется образование холодных массивных облаков, из вещества которых рождаются звезды. По этой причине многие взаимодействующие галактики отличаются удивительно высокими темпами звездообразования: ЭОЗ в них может более чем вдесятеро выше среднего уровня (в рекордных случаях, при слиянии галактик, в сотни раз).

4. Активность ядер галактик

Не менее интересно другое следствие взаимодействия галактик. При наличии внешней силы газ уже не сохраняет своего момента вращения. Происходит перераспределение моментов, а следовательно, и орбит газовых облаков в галактике, в результате чего часть газа может навсегда покинуть галактику, а часть, наоборот, приблизиться к центру. Как показывают теоретические расчеты, движение газа во внутренней области галактики становится таким, что при определенных условиях приводит к удивительным последствиям: крошечная область в центре галактики, ее активное ядро, становится источником фантастического количества энергии – в некоторых случаях превышающего 10³⁶ Вт (для сравнения: полная мощность излучения Солнца во всех диапазонах спектра составляет всего 4·10²⁶ Вт). У наиболее активных ядер (квазаров) мощность оптического излучения настолько велика, что требуется специальная техника наблюдений, чтобы уловить свечение звездной "материнской" галактики вокруг более яркого источника.

Механизм формирования активных ядер до сих пор не очень понятен. Нет общепринятого объяснения, почему в одних случаях основная энергия ядра выделяется в виде оптического и инфракрасного излучения, в других – в виде радиоволн и потоков релятивистских частиц (в этом случае галактика называется радиогалактикой), а в третьих, внешне таких же галактиках активность ядра остается очень слабой (к последним относится и наша Галактика).

Из спектральных наблюдений ядер было извлечено много информации о них. Исследователи неплохо знают о физическом состоянии газа в ядре, скоростях его движения, концентрации атомов и электронов, химическом составе, о механизмах излучения непрерывного спектра и эмиссионных линий и т. д., но это не дало прямого ответа на главный вопрос – каков источник энергии ядра и что заставляет "включиться" его активность.

Характерной особенностью излучения активных ядер галактик является их высокая мощность и переменность, происходящая на самых различных масштабах времени – от нескольких десятков часов до нескольких лет (в рентгеновском диапазоне спектра – вплоть до нескольких минут). Она свидетельствует о чрезвычайной компактности источника излучения, так как в противном случае из-за конечности скорости света излучение от различных частей источника приходило бы не одновременно, что замывало бы колебания блеска. Размер центрального объекта вряд ли намного превосходит размер Солнечной системы, так что в масштабах галактики он выглядит исчезающе малой точкой, но именно в нем зарождается чудовищная энергия, выход которой невозможно объяснить никакими ядерными реакциями.

Единственный источник энергии, известный в физике, который мог бы долгое время "работать" с требуемой эффективностью в ядре, – это выделение (и преобразование в другие формы) гравитационной энергии газа, падающего в область пространства, называемую массивной черной дырой. Свободно падающее на нее вещество разгоняется в окрестности "дыры" до околосветовых скоростей и закручивается вокруг нее в плотный и чрезвычайно горячий диск (аккреционный диск). Его размер должен быть сопоставим с размером Солнечной системы. Энергия этого "волчка" и служит резервуаром энергии активного ядра. Именно в нем, а не в самой черной дыре рождаются мощные потоки коротковолнового излучения и происходит ускорение протонов и электронов до очень высоких энергий.

Черная дыра может быть образована большой массой вещества, скопившейся в самом центре галактики (то есть в области с самой низкой потенциальной энергией) миллиарды лет назад. Для того чтобы объяснить наблюдаемую активность ядер, масса черной дыры должна составлять сотни миллионов и миллиарды масс Солнца, но для "пробуждения" ядра к активности требуется топливо. Необходимо, чтобы и после образования этого компактного объекта вещество продолжало "опускаться" к самому центру галактики, падая на "дыру". Для этого должен существовать механизм, "сбрасывающий" облака с круговых орбит, отбирая у них момент вращения.

Во внутренней области галактик должно накопиться достаточное количество газа. Действие приливных сил приводит к тому, что часть газа быстро "сползает" к ядру, образуя ядерный диск размерами в десятки или сотни парсек. Такие диски наблюдаются во многих галактиках. Дальнейшее продвижение к черной дыре должно быть связано уже с процессами в этом диске и обусловлено, как предполагают, гравитационной неустойчивостью последнего, когда его плотность становится достаточно высокой.

Наблюдения показывают, что среди галактик с активными ядрами повышена доля объектов, имеющих близких соседей, а в наиболее активных галактиках практически всегда наблюдаются признаки сильного взаимодействия или даже слияния с другими системами в не очень далеком прошлом. Об этом говорят особенности их внешнего вида, характерные для взаимодействующих галактик, а также "возмущенные", некруговые скорости межзвездного газа.

Но не все взаимодействующие системы обладают активными ядрами (хотя бы потому, что и количество газа, способного упасть на центр, и масса черных дыр у них может быть различна), как и не все галактики с активными ядрами взаимодействующие: ядерный диск может возникнуть и другими путями, например из газа с малым моментом вращения, падающего на галактику извне.

Теоретически рассматриваются различные физические схемы, объясняющие попадание газа в окрестность черной дыры. Помимо упомянутых, есть и такая экзотичная, но правдоподобная схема, где вещество доставляется к самому центру обычными звездами, которые из-за большой вытянутости орбит при своем движении в галактике подходят на опасно близкое расстояние к черной дыре и разрушаются приливными силами ее гравитационного поля. Для объяснения высокой энергетической активности ядра достаточно, чтобы каким-либо путем к черной дыре устремлялось и исчезало в ее окрестности в среднем около одной солнечной массы вещества ежегодно.

Прямое подтверждение присутствия массивной черной дыры в галактике могут дать измерения скоростей движения звезд или газа в ее центральном районе. Чем ближе к черной дыре, тем быстрее они должны двигаться. Получив оценки скоростей вращения газа или дисперсии скоростей звезд на расстоянии в несколько десятков парсек от центра галактики, с помощью методов математического моделирования можно грубо оценить массу, заключенную внутри этого радиуса. И если найденная масса окажется значительно больше, чем масса видимых звезд в этой же области (ее можно оценить по яркости ядра), то появляются все основания считать, что обнаружено гравитационное поле невидимого массивного тела в центре, и можно обоснованно предположить, что в ядре галактики – черная дыра.

Аппаратурные возможности таких измерений появились недавно. Программы по поискам черных дыр в ядрах галактик наиболее активно проводятся на космическом телескопе им. Э. Хаббла, работающем на высокой околоземной орбите, и на канадско-французском телескопе на Гавайских островах, где установлен спектрограф, позволяющий при хороших атмосферных условиях надежно измерять скорости звезд в областях с размером менее одной угловой секунды. В некоторых случаях (спиральная галактика NGC 4258) черную дыру удается "нащупать" не в оптических лучах, а с помощью радиоинтерферометра, измеряя скорости газа по наблюдениям очень узких радиолиний.

На начало 2000 года количество галактик, где измерения скоростей позволяют говорить о наличии черных дыр, составляет более десятка. Среди них как спиральные, так и эллиптические системы, как галактики с высокой активностью ядра (радиогалактика М 87), так и с очень низкой (туманность Андромеды). Массы черных дыр оказались примерно такими, как и ожидалось – от нескольких миллионов масс Солнца (наша Галактика) до нескольких миллиардов (М 87). На рис. 4 приведено изображение галактики М 87.

Рис. 4. Ядерная часть радиогалактики М 87 по наблюдениям с космического телескопа им. Э. Хаббла (НАСА, США). Длинный выброс вещества (джет) из яркого ядра галактики – одно из проявлений его активности. Во врезке – увеличенное изображение ядра, где хорошо виден газовый околоядерный диск, структура которого напоминает спиральные ветви. Центральная, наиболее светлая часть диска, имеет размер несколько десятков парсек. Измерения скорости ее вращения (550 км/с) подтвердили существование массивной черной дыры в центре

Группа исследователей из США и Канады под руководством Д. Ричстоуна, занимающаяся измерениями скоростей звезд в самом центре галактик, на основании всех имеющихся результатов пришла к выводу о том, что черные дыры присутствуют в ядрах почти всех галактик, хотя их не всегда можно обнаружить, поскольку их масса различна и примерно пропорциональна массе галактики в целом (для спиральных галактик вместо полной массы надо брать массу звездного балджа как наиболее медленно вращающегося компонента). Если это предположение подтвердится, то оно будет означать, что образование черных дыр тесно связано с формированием звездных компонентов галактики.

5. Заключение

Наблюдаемые различия между галактиками, так же как и характер тех физических процессов, которые определяют их свойства, оказываются очень тесно связанными с динамическими свойствами звезд и газа. Изучение сложного характера их движений в общем гравитационном поле в сочетании с физической теорией позволяет понять, что происходит в галактиках. Прогресс связан прежде всего с новыми возможностями наблюдений, с новыми методами, с повышением точности оценок. Именно здесь следует ожидать прорывов к новым результатам.

Литература

1. Агекян Т.А. Звезды, галактики, Метагалактика. М.: Наука, 1982.
2. Гинзбург В.Л. О физике и астрофизике. М.: Наука, 1985.
3. Марочник Л.С., Сучков А.А. Галактика. М.: Наука, 1984.
4. Чернин А.Д. Вращение галактик. Сер. Космос, астрономия. М.: Знание, 1990. 3.