Образование и эволюция галактик

Образование и эволюция галактик. Одна из задач современной астрономии - понять, как образовались галактики и как они эволюционируют. Во времена Э.Хаббла и Х.Шепли было заманчиво верить в то, что типы галактик соответствуют разным стадиям их развития.

Однако эта гипотеза оказалась неверной, и задача реконструкции историй жизни, галактик оказалась трудной. Самой же трудной оказалась проблема первоначального возникновения галактик. Большинство принятых в настоящее время космологических моделей предполагает общее расширение, начиная с нулевого момента времени, который называют большим взрывом или английским термином Big Bang сразу же после которого Вселенная имеет исключительно высокие плотность и температуру. Физические процессы, описывающие первичный взрыв в этих моделях, могут быть довольно надежно прослежены до момента, когда плотность и температура становятся достаточно низкими, чтобы стало возможным образование галактик.

Примерно 1 миллион лет потребовался для того, чтобы Вселенная расширилась и остыла настолько, что вещество стало играть в ней важную роль. До этого преобладало излучение, и сгустки вещества, такие как звезды или галактики, не могли образовываться.

Однако, когда температура стала равной примерно 3000 К, а плотность - около 10-21 г см3 вещество, наконец, смогло формироваться. Большинство попыток найти способы конденсации вещества Вселенной в галактики основаны на гипотезе, впервые подробно разработанной сэром Джеймсом Джинсом. Хотя сейчас принимается, что в ранней Вселенной газ расширялся в соответствии с релятивистской космологической моделью, идеи Джинса основывались на более простой ньютоновской модели Вселенной, где гравитационная неустойчивость возникает, когда сгусток более плотного вещества называемый возмущением становится достаточно малым и плотным.

Характерный размер возмущений плотности, которые являются только слегка неустойчивыми, называется джинсовской длиной и, как было установлено, она зависит от скорости звука в среде, постоянной тяготения и плотности вещества. Джинсовская масса определяется как масса вещества, которая может стать неустойчивой и начать сжиматься под действием собственного гравитационного поля рис. 4 . Согласно расчетам, в начале эры вещества джинсовская масса составляет около 105 солнечных масс, и, таким образом, в этот момент истории Вселенной возмущения с такими массами и больше что включает все известные галактики должны были стать неустойчивыми и сжаться. Простая модель Джинса не позволяет исследовать ситуацию во время эры излучения, так как в этом простом анализе не учитывается влияние давления излучения на газ. Рис. 4. Джинсовская масса В поисках типа иррегулярности или неустойчивости, которая приводит к современной Вселенной, состоящей из галактик, астрономы исследовали много других видов неустойчивости, кроме гравитационных.

Среди них - возможное отсутствие баланса вещества и антивещества, тепловые неустойчивости, флуктуации, связанные с ионизацией и ее зависимостью от температуры и вариации распределения заряда.

Наиболее вероятная гипотеза утверждает, что вначале количество вещества немного превосходило количество антивещества.

Тогда большая часть вещества должна была проаннигилировать с антивеществом на ранних космических фазах при высокой плотности, оставив купающуюся в лучах света Вселенную с количеством вещества, как раз достаточным для образования галактик. Другой механизм, который мог способствовать конденсации вещества - это тепловая неустойчивость. Области с немного повышенной плотностью остывают быстрее, чем их окружение. Более горячие окружающие регионы сильнее сжимают эти области, повышая их плотность.

Таким образом, небольшое возмущение плотности может становиться все более неустойчивым рис.5 . Рис. 5. Флуктуации температуры Согласно еще одной гипотезе, предложенной Георгием Гамовым, гравитационные силы могут усиливаться симулированной гравитацией, создаваемой в ранней истории Вселенной интенсивным полем излучения. Частицы в такой Вселенной, как правило, испытывают действие силы, направленной от каждой частицы к другой частице. Эта сила, с которой частицы подвергаются действию друг друга подобно силе тяготения.

Эффект взаимного притяжения двух частиц имеет значение лишь на протяжении примерно первых 100 лет существования Вселенной, после чего интенсивность излучения и степень близости частиц уменьшается. После достижения индивидуальными протогалактиками гравитационной выделенности через какую-либо форму неустойчивости, они коллапсируют с образованием галактик значительно меньших размеров и с большими плотностями, оставляя промежуточное пространство почти пустым.

Реальный процесс сжатия можно исследовать лишь при помощи теоретического моделирования. Для этого выбираются правдоподобные начальные условия и производят необходимые вычисления, чтобы посмотреть, можно ли прийти к реалистичной картине в результате сжатия исходной протогалактики. Начальные условия, с которых мы должны начинать эти вычисления, включают массу галактики, ее угловой момент, размеры, температуру, химические характеристики, магнитное поле и внутренние турбулентные движения.

Рассмотрим простейшее начальное состояние, в котором свойства протогалактики таковы, что она является холодной, полностью однородной по плотности, совершенно сферической и без турбулентных движений, магнитного поля и внешних воздействий. Для объекта, сравнимого по массе с Млечным Путем, порядка 1011 масс Солнца, такой набор начальных условий приводит к совершенно не остановимому коллапсу. Гравитационный потенциал такого объекта достаточно велик, чтобы никакой физический процесс не мог остановить его коллапс в массивную черную дыру, и вычисления показывают, что за короткое, по космическим масштабам, время такой объект перейдя через предел Шварцшильда исчезнет рис. 6 . Невращающееся сжимаясь, превращается протогалактическое в черную облако, дыру рис. 6. Судьба невращающейся протогалактики Более разумный набор начальных условий следующий в ходе одного из рассмотренных выше процессов газовое облако уже сжалось до такой степени, что оно стало устойчивым, несмотря на расширение окружающей Вселенной пусть это будет плотность около 10-28 г см. Если принять массу равной 1011 солнечных масс, то указанная плотность дает для сферического облака начальный радиус около 200 кпк. Для того чтобы сжатие было возможным, кинетическая, магнитная и гравитационная энергии должны быть соответствующим образом сбалансированы.

Другие начальные условия, необходимые для начала сжатия, следующие скорость вращения должна быть мала - менее 40 км с, температура - меньше 2 105 К и напряженность магнитного поля должна быть разумно мала - меньше 2 10-7 гаусс.

Если распределение плотности облака остается однородным в ходе сжатия, то гравитационная энергия возрастает обратно пропорционально уменьшающемуся радиусу.

В некоторый момент радиус становится достаточно малым, чтобы энергия вращения уравновесила гравитационную энергию - это определяет вращательный предел. При другом критическом размере из газа конденсируются звезды, и начинается быстрый переход от газового облака к галактике, состоящей из звезд. Это конденсационный предел.

Окончательная судьба сжимающегося облака зависит от соотношения этих трех критических радиусов. В зависимости от того, какой из них наибольший, появляются три интересные возможности. Если наибольший радиус соответствует вращательному пределу, то сжатие останавливается вращением рис. 7 . Однако центробежные силы ограничены плоскостью вращения, так что сжатие в направлении, перпендикулярном этой плоскости, продолжается до образования тонкого диска. Этот диск выделяется формой и наличием вращения - это спиральная галактика. рис.7. Быстрое вращение приводит к образованию плоской структуры В случае если наибольшим является конденсационный, предел, звездообразование начинается до того, как эффекты вращения становятся важным фактором торможения сжатия.

По мере роста плотности темп звездообразования увеличивается, и большая часть газа проходит через этот процесс. В этом диск не образуется.

Орбиты звезд будут таковы, что галактика станет почти сферической - в зависимости от величины и распределения начального углового момента. С этими свойствами - почти сферической формой, отсутствием газа и большим количеством звезд, образовавшихся вблизи начала его существования, объект явно будет эллиптической галактикой рис.8 . рис. 8. Медленное вращение приводит к образованию эллиптической галактики В третьем случае, когда ни вращательный, ни конденсационный предел не являются достаточно большими, чтобы остановить сжатие, облако все уменьшается и уменьшается, пока не образуется сверхмассивный звездообразный объект.

Возможно, это будет черная дыра - невидимая и почти не обнаруживаемая. После обретения галактикой формы следующие стадии эволюции являются медленными и гораздо менее эффектными. Звезды образуются, умирают и выбрасывают богатое тяжелыми элементами вещество, образующее новые звезды, галактика постепенно тускнеет и краснеет, химический состав ее звездного населения медленно меняется по мере обогащения газа и пыли, из которых образуются последующие поколения звезд, тяжелыми элементами.

Мы не можем увидеть, как галактика меняется. Человеческая жизнь, по меньшей мере, в миллион раз короче, чем надо для этого. Но мы можем наблюдать эволюционные эффекты, глядя назад на все более ранние стадии эволюции нашей Вселенной, когда галактики оказываются более молодыми. Самые далекие наблюдаемые нами нормальные галактики мы наблюдаем более молодыми, чем наших соседей.

Свету от галактики на расстоянии 10 миллиардов световых лет, например, потребовалось 10 миллиардов лет, чтобы достичь нас, и, таким образом, мы наблюдаем и измеряем изображение галактики, которая на 10 миллиардов лет моложе нашей. Если возраст Вселенной составляет от 15 до 20 миллиардов лет точное значение еще с уверенностью не установлено, то возраст наблюдаемой галактики составляет всего одну треть возраста галактик вблизи нас, свет от которых доходит до нас быстрее.

Разумеется, это соображение опирается на веру в одновременное сжатие и образование всех галактик вскоре после Большого Взрыва. В значительной степени молодые галактики были более яркими и голубыми. 7. Радиогалактики Особый интерес представляют галактики с резко повышенной светимостью в радиоизлучении. Их принято называть радиогалактиками. Наиболее выдающаяся радиогалактика - Лебедь А. Это мощнейший дискретный источник радиоизлучения. В том месте неба, где он находится, никаких оптически ярких объектов нет. Лебедь А - это двойная галактика с чрезвычайно тесно расположенными друг к другу компонентами.

Эта галактика ввиду ее слабости в каталог NGC, конечно, не попала. Ее называют Лебедь А, потому что в созвездии Лебедя она является самым интенсивным источником радиоизлучения. Расстояние до радиогалактики Лебедь А составляет 200 Мпс. Лебедь А - сверхгигантская галактика, превосходящая по светимости даже нашу галактику. Она излучает в оптическом диапазоне частот 2 1037 Дж с, а в радиодиапазоне 3 1037 Дж с. Это единственный случай для галактик, когда сравнение энергии показало преобладание энергии радиоволн над энергией оптического излучения. Галактика Лебедь А не единственный объект такого рода во Вселенной.

Другие такие объекты находятся на еще больших расстояниях. Поток проходящего от них радиоизлучения ввиду большего расстояния слабее, чем от источника Лебедь А, но все-таки радиотелескопы могут их обнаруживать. Есть все основания думать, что среди большого числа дискретных источников радиоизлучения, не поддающихся до сих пор отождествлению с оптическими объектами, часть является чрезвычайно далекими галактиками, подобному объекту Лебедь А. Современные радиотелескопы способны обнаруживать дискретные источники радиоизлучения, поток энергии которых в 8000 раз слабее, чем у галактики Лебедь А, и находящиеся на расстоянии в 90 раз большем, чем Лебедь А. Отношение расстояний на самом деле не столь велико, так как интенсивность излучения ослабляется также значительным на столь больших расстояниях красным смещением спектров источников радиоизлучения.

Расстояния этих слабых источников радиоизлучения если они имеют такую же природу, как источник Лебедь А можно оценить в 4000 Мпс. Радиоизлучение от этих возможных объектов должно путешествовать к нам около 12 млрд. лет! Американские астрономы Бааде и Минковский выдвинули гипотезу природы излучения радиогалактик. Они предположили, что Лебедь А - это встретившиеся и проникающие друг в друга спиральные галактики.

При столкновении спиралей на большой скорости встречаются диффузные массы.

Происходит их разогрев и начинается свечение, в котором ввиду не очень высокой температуры значительную долю занимает радиоизлучение. Эта точка зрения может получить развитие, если предполагать, что при встрече диффузных масс значительная доля их кинетической энергии столкновения переходит в энергию относительно небольшого числа так называемых релятивистских частиц, т.е. частиц, движущихся с огромными скоростями.

Релятивистские частицы, проходя через магнитные поля, замедляют свое движение, их кинетическая энергия уменьшается и при этом излучается энергия преимущественно в виде радиоволн, но также и в оптическом диапазоне. Возникшее таким образом излучение принято называть синхронным, потому что оно было обнаружено в ускорителе элементарных частиц - синхротроне. Несколько ярких галактик, входящих в каталог NGC, также отнесены к разряду радиогалактик потому, что их радиоизлучение аномально сильное, хотя оно значительно уступает по энергии световому излучению.

Из этих галактик NGC 1275, NGC 5128, NGC 4782 и NGC 6166 также являются двойными. Бааде и Минковский считали, что эти факты подтверждают их гипотезу случайного образования радиогалактик при столкновениях звездных систем, содержащих в себе диффузную материю. Существует и другая точка зрения на природу радиоизлучения радиогалактик. Так В.А.Амбарцумян считает, что радиогалактики являются результатом процесса разделения первоначального тела на два тела - две удаляющиеся друг от друга галактики.

Стадия деления - переход материи из более плотного состояния в менее плотное - вызывается взрывными процессами, которые сопровождаются интенсивным радиоизлучением. Радиогалактика, следовательно, есть стадия, через которую проходит каждая галактика в самый ранний период своего развития. В гипотезе деления естественно объясняется тесное и взаимно центральное расположение компонентов двойных радиогалактик.

Однако не вполне раскрытым остается механизм образования радиоизлучения. Но нужно иметь в виду, что мы не знаем аналогов такого грандиозного процесса, как возможный процесс разделения галактик в результате взрыва, и потому неудивительно, что сам механизм взрыва и сопровождающие его процессы пока остаются неясными. Однако можно предполагать, что при взрыве радиогалактики образуется большое количество частиц, летящих с огромными скоростями в магнитных полях и порождающих синхронное излучение.

Это излучение, по-видимому, составляет главную часть оптического излучения и полностью определяет радиоизлучение радиогалактики. Характерно, что районы радиоизлучений обычно простираются далеко за пределы оптически наблюдаемой области радиогалактики. Однако не все радиогалактики являются двойными системами. NGC 2623 и NGC 4486 - одиночные объекты. Особенно интересна сверхгигантская радиогалактика NGC 4486. Она обладает самой большой из известных масс галактик и окружена самой богатой системой шаровых скоплений.

Но у этой галактики имеется еще одна замечательная особенность. Фотография ее центральной части, выполненная на 5-метровом телескопе при значительном увеличении и сравнительно небольшой экспозиции, показывает, что NGC 4486 имеет маленькое ядро, из которого выброшена прямая тонкая струя светящейся материи. У этого светящегося выброса, имеющего длину 22 или в линейной мере около 1000 пс, спектр излучения такой, какой должен создаваться релятивистскими частицами, движущимися в магнитных полях.

Это подтверждает наличие быстрых движений и то предположение, что наблюдаемая полоса есть выброс, который может быть произведен только из ядра галактики. Таким образом, мы встречаемся с явлением активности ядер галактики, причем активность носит характер взрывного процесса. Поскольку NGC 4486 и NGC 2623 - это одиночные объекты, объяснить их радиоизлучение при помощи гипотезы столкновения нельзя. Это серьезный аргумент против гипотезы Бааде - Минковского и в пользу гипотезы В.А.Амбарцумяна, которая рассматривает явление мощного радиоизлучения в некоторых галактиках как результат взрывных процессов космического масштаба. Среди радиогалактик большая часть является эллиптическими галактиками.

Это сверхгиганты с необыкновенно сильным радиоизлучением. Интересно, что среди нормальных галактик самым слабым, трудно обнаруживаемым радиоизлучением обладают именно эллиптические галактики. Почему эллиптические галактики являются носителями самого сильного и самого слабого радиоизлучения в мире галактик, сказать пока трудно. Так как радиогалактика в радиодиапазоне излучает в тысячи раз больше, чем нормальная галактика, то можно предположить, что радиоизлучение, исходящее от скопления галактик, определяется скорее всего, одной оказавшейся в скоплении радиогалактикой, чем совокупным действием всех остальных галактик скопления.

Радиогалактики встречаются очень редко, их не может быть много в одном скоплении. В нескольких скоплениях галактик удалось отождествить ту галактику, которая создает все или почти все радиоизлучение скопления является радиогалактикой.

Каждый раз это оказывается эллиптическая галактика, имеющая слабое сжатие, почти круглая и расположенная у самого центра скопления. Каждый раз это сверхгигант - первая по светимости и по размерам галактика скопления. 8.