Галактика - Млечный Путь

В 1977 г. Б.А. Воронцов-Вельяминов опубликовал «Атлас взаимодействующих  галактик», где приведено свыше 700 фотографий диковинных по форме звездных систем. У многих из них заметны  выступы и придатки - самой причудливой  формы. Некоторые похожи на греческую  букву «гамма». Совершенно неправдоподобными  выглядят кольцевые галактики без  всякого ядра, что никак не вяжется  с известными законами звездной динамики. У некоторых из кольцевых галактик видны четыре кольца!

В галактике «Оса» непонятны  поперечные темные полосы, придающие  ей сходство с назойливым насекомым. В галактике NGC 2685 главная сигарообразная ее часть вращается вокруг длинной  оси! Наконец, в клочковатой галактике  М 82 из созвездия Большой Медведицы  каждый увидит следы какого-то грандиозного взрыва, потрясшего эту звездную систему. И в самом деле, спектральный анализ показал, что из ядра галактики газы истекают со скоростью 1500 км/с. Подсчитано, что взрыв с энергией 1057 эрг произошел полтора миллиона лет назад, а то, что мы видим, напоминает мгновенную застывшую экспозицию этого не столь уж давнего для галактик события.

Долгое время среди  астрономов шел спор, закручиваются  или раскручиваются ветви у спиральных галактик. Спор этот утерял всякий смысл  после того, как Б.А. Воронцов-Вельяминов открыл ряд спиральных галактик с  ветвями, направленными (или «закрученными») в противоположные стороны.

Трудно себе представить  масштаб тех исполинских процессов, которые нам удалось запечатлеть  на фотографиях. Часть из них, вероятно, вызвана известными нам приливными взаимодействиями. Но экзотичность очень  многих звездных систем, вероятно, порождена  неизвестными нам законами природы, действующими в мегамире.

Видимое распределение галактик очень неоднородно. Они, как и  люди, не любят одиночества и предпочитают объединяться в пары, группы и скопления  с себе подобными. Еще в конце XVIII в. В.Гершель обнаружил, что многие туманности, которые он совершенно правильно считал подобными Млечному Пути звездными островами, входят в состав двойных и кратных систем. Некоторые туманности оказались даже связанными слабосветящимися перемычками. В первой половине нашего века Э.Хаббл и В.Бааде держали пари на 20 долларов, кто первый докажет, что найденная им галактика - одиночная. Пари никто не выиграл, так как всегда по соседству оказывалась другая, которая могла быть физически связанным спутником.

Взаимодействующие галактики  начали систематически наблюдать в 50-е годы Э.Хольмберг, Б.А.Воронцов-Вельяминов, Ф.Цвикки и Х.Арп. Однако вплоть до 70-х  годов, когда развитие теории и компьютерной техники позволило создать реалистические модели гравитационного взаимодействия галактик, эти объекты не привлекали широкого внимания.

Интересно отметить, что  первая успешная попытка моделирования  тесного сближения галактик была осуществлена еще в 1941 г. Шведский астроном Э.Хольмберг, воспользовавшись тем, что  освещенность от источника уменьшается, как и гравитационная сила, обратно  пропорционально квадрату расстояния до наблюдателя, рассмотрел относительное  движение двух галактик, каждая из которых  была представлена набором подвижных  лампочек. Измеряя в разных точках модельной галактики освещенность с помощью фотоэлемента, Хольмберг  перемещал лампочки в соответствии с неоднородностями такого "гравитационного" поля. С помощью столь нестандартного подхода он предвосхитил некоторые результаты, полученные гораздо позднее с помощью компьютерного моделирования.

В 1972 г. появилась работа братьев Тумре, в которой было наглядно показано, что морфологические  особенности галактик естественным образом могут быть объяснены  гравитационным взаимодействием между  ними. Эта работа послужила основой  для нового подхода к проблеме формирования структуры современных  галактик. Согласно этому подходу, не начальные условия, а последующая  эволюция галактики, в ходе которой  она активно взаимодействует  со своим окружением (другими галактиками, карликовыми спутниками, межгалактической средой), определяет ее характеристики. Один из братьев - А.Тумре - даже высказал предположение, что все эллиптические  галактики возникли при слиянии  спиральных (это предположение получило название "гипотеза слияний"). Сейчас считается, что и начальные условия, и последующая эволюция влияют на свойства галактик, однако соотношение  между этими факторами остается пока неизвестным.

В близкой к нам области  Вселенной взаимодействующие галактики  довольно редки. Если основываться на видимых признаках взаимодействия, говорящих о сильном внешнем  гравитационном возмущении (заметной асимметрии структуры, наличии протяженных  линейных образований - "хвостов" и перемычек, - оболочек и т.п.), то к таким объектам можно отнести, лишь каждую десятую или двадцатую галактику (рис.2,3). В более ранние эпохи, однако, процессы взаимодействия между ними могли быть гораздо более интенсивными.

В настоящее время уже  ясно, что гравитационные взаимодействия и обмен массой между галактиками  были очень важными факторами  в их эволюции. Поэтому детальное  изучение взаимодействующих галактик предоставляет замечательную возможность  увидеть те процессы, которые, возможно, происходили на ранних стадиях формирования галактик и привели к наблюдаемому многообразию их свойств.

Порядка 95 % галактик образуют группы галактик. В них, как и в обычных галактиках, обнаружена тёмная материя, составляющая большую часть массы группы, 10—30 % — это межгалактический газ, а порядка 1 % составляет масса самих звёзд.

Самым маленьким по размеру  и самым распространённым во Вселенной  скоплением, включающим несколько десятков галактик, является группа галактик. Зачастую в них доминирует одна массивная  эллиптическая или спиральная галактика, которая засчёт приливных сил  со временем разрушает галактики-спутники и увеличивает свою массу, поглощая их. В таких скоплениях скорости разбегания галактик друг от друга, вызванные хаббловским расширением Вселенной, слабы и доминируют случайные пекулярные скорости. Из анализа этих случайных скоростей и теоремы вириала можно получить массу таких скоплений.

Скоплением галактик называют объединения в несколько сотен  галактик, которые могут содержать  как отдельные галактики, так  и группы галактик. Обычно при наблюдении в таком масштабе можно выделить несколько очень ярких сверхмассивных эллиптических галактик. Такие галактики  должны непосредственно влиять на процесс  образования и формирования структуры  скопления.

Сверхскопление — самый большой тип объединения галактик, включает в себя тысячи галактик. В масштабах сверхскоплений галактики выстраиваются в полосы и нити, окружающие обширные разрежённые пустоты. Форма таких скоплений может быть различна: от цепочки, такой как цепочка Маркаряна, до стен, как великая стена Слоуна. В больших масштабах Вселенная предстаёт изотропной и однородной.

ГЛАВА 4. Квазары

Квазар-  это яркий объект в центре галактики, который производит примерно в 10 триллионов раз больше энергии в секунду, чем наше Солнце (и в миллион раз больше энергии, чем самая мощная известная звезда), и обладающий переменностью излучения  во всех диапазонах длин волн.

Квазар - это почти немыслимо энергичное образование чудовищной светимости и очень маленьких размеров в центрах галактик. Светимость квазаров столь велика, что если поместить его на расстояние 10 пк (таково расстояние до многих видимых на небе звезд), то он будет светить также ярко, как светит Солнце, при этом оставаясь точечным объектом. При этом нельзя забывать, что Солнце на таком расстоянии выглядит еле заметной невооруженным глазом звездочкой.

Квазары, открытые в 50-х годах  прошлого века, представляют собой  активные ядра галактик, в центре которых  лежит сверхмассивная черная дыра. В рамках нового исследования астрофизики  пытались ответить на вопрос, почему ядра одних галактик активны, а ядра других (например, Млечного Пути) - относительно спокойны.

Ученые предположили, что  активность ядра обусловлена столкновением  галактик. Чтобы проверить свою гипотезу, ученые собрали данные о 200 подобных объектах, самый удаленный из которых  располагается на расстоянии около 11 миллиардов световых лет от Земли. Для изучения галактик использовали телескопы Spitzer и Chandra.

В результате исследователи  установили взаимосвязь между тем  фактом, что галактика пережила в  недавнем прошлом столкновение, и  активным ядром. Примечательно, что  в рамках новой работы ученым удалось  найти большое количество скрытых  квазаров - активных ядер, укрытых облаками пыли.

Таким образом, ученые предлагают следующую модель формирования квазаров. Сначала галактики сталкиваются, а их черные дыры сливаются. При этом дыра оказывается в центре пылевого кокона, образованного в результате столкновения, и начинает интенсивно поглощать материю. 

Примерно через 100 миллионов  лет свечение окрестностей дыры становится настолько сильным, что выбросы  излучения начинают прорывать кокон. В результате появляется привычный  астрономам квазар. Еще через 100 миллионов  лет процесс приостанавливается, и центральная черная дыра снова  начинает вести себя спокойно.

Команда учёных из США после  проведённого исследования заявила, что квазары являются самыми опасными объектами во Вселенной, опережая даже чёрные дыры. Как считают учёные, квазары появились вскоре после Большого взрыва и набрали огромную массу на удивление быстро, поглощая всё вокруг себя. Набирать вес эти объекты продолжают до сих пор, и, по подсчётам, стоит такому квазару оказаться вблизи нас, как гибель Солнечной системы будет предрешена. Это не далеко не первый раз, когда учёные пугают нас глобальной космической катастрофой. Но это первый раз, когда гибель грозит не только нашей планете, а всей Солнечной системе. Правда, вероятность такого стечения событий крайне низка. Квазар - класс внегалактических объектов, отличающихся очень высокой светимостью и настолько малым угловым размером, что в течение нескольких лет после открытия их не удавалось отличить от «точечных источников» - звёзд. По одной из теорий, квазары представляют собой галактики на начальном этапе развития, в которых сверхмассивная чёрная дыра поглощает окружающее вещество.

В стандартной модели квазара  черная дыра окружена вращающимся аккреционным диском. Источником энергии служит потенциальная энергия падающего  газа. Диск обеспечивает тепловую энергию  для излучения света, создает  магнитные вспышки, струи параллельно  движущихся частиц и другие экзотические явления. Частицы газа высокой энергии  образуют плазму, которая может объяснить  рентгеновское излучение некоторых  квазаров.

За пределами аккреционного  диска находится активный газ, дающий наблюдаемые в спектре квазара  эмиссионные линии, а еще дальше - вероятно, совсем за пределами галактики и просто случайно оказавшийся перед ней - находится холодный газ, объясняющий наличие линий поглощения. Это газ двух видов: расположение части линий поглощения говорит об их происхождении в случайно оказавшихся на пути облаках водорода в расширяющемся пространстве между нами и квазаром. Другие линии поглощения группируются у определенных значений красного смещения, что свидетельствует об их происхождении в облаках водорода во внешних частях галактик в скоплениях галактик, оказавшихся на луче зрения.

Любопытно, что все красные  квазары имеют очень большие  красные смещения, т.е. очень сильно удалены от нас. Больше всего квазаров с красным смещением между 2 и 3. Квазары с таким красным смещением  удаляются от нас со скоростями порядка 250 000 км/с и удалены от нас более  чем на 10 млрд. световых лет.

На снимке слева Вы видите квазар 3C 273 - самый яркий и первый из обнаруженных квазаров - "глазами" рентгеновского телескопа XMM-Newton. Этот квазар находится на расстоянии порядка 2 млрд. световых лет от Солнца и имеет 13-ую звездную величину.

Справа Вы видите замечательный  космический объект - космическую линзу. Точнее говоря - на снимке 4 изображения одного и того же квазара, возникшего из - за гравитационного воздействия, находящейся на луче зрения, галактики. Благодаря таким объектам можно точнее определить постоянную Хаббла, а значит масштабы и возраст Вселенной.

Группа астрономов из Оксфордского университета сумела рассмотреть квазар, спрятанный за плотным облаком пыли. И не один.

Несмотря на то, что на сегодняшний день астрономам удалось  обнаружить уже свыше 5000 квазаров (сверхмассивных черных дыр, купающихся в пылевых облаках), эти космические объекты продолжают терзать воображение ученых, поскольку есть огромное количество скрытых квазаров, существование которых выведено по косвенным признакам, но не доказано из-за сложности их обнаружения.

Дело в том, что до сих  пор количество квазаров, обнаруженных с помощью рентгеновских и  оптических телескопов, не соответствует  количеству предсказанных объектов. По всей видимости, окутывающие их газопылевые  кольца настолько плотны, что ни рентгеновское излучение, ни, тем  более, видимый свет просто не в состоянии  пробиться сквозь завесу пыли.

Тем не менее, астрономы из Оксфордского университета (Великобритания), воспользовавшись инфракрасным телескопом орбитальной обсерватории Spitzer, сумели найти сразу 21 скрытый квазар на сравнительно небольшом участке звездного неба. Ведь в отличие от видимого света и рентгеновского излучения, инфракрасные лучи проходят через газопылевую завесу.