|
|
Галактики. Из звезд, межзвездного газа, пыли, темной материи и темной энергии, связанная силами гравитационного взаимодействия
Галактикой называется большая система из звезд, межзвездного газа, пыли, темной материи и темной энергии, связанная силами гравитационного взаимодействия.
Размеры галактик от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч световых лет.
По классификации, предложенной астрономом Эдвином Хабблом, в 1925 году существуют несколько видов галактик:
Хаббл классифицировал спиральные галактики по следующим трем критериям:
1) относительной величине ядра, по сравнению с размерами всей галактики;
2) по тому, насколько сильно или слабо закручены спиральные ветви;
3) фрагментарности спиральных ветвей.
эллиптические(E),
линзообразные(S0),
спиральные(S),
спиральные с баром (SB),
неправильные (Ir).
Галактики с полярными кольцами
Пекулярные галактики
Основные типы галактик и их свойства (по Э. Хабблу)
|
Спиральные
|
Эллиптические
|
Иррегулярные
|
Процентное соотношение во Вселенной
|
34%
|
13%
|
53%
|
Форма и структурные свойства
|
Плоский диск звезд и газа со спиральными рукавами, утолщающимися к центру. Ядро из более старых звезд и примерно сферическое гало (межзвездный газ, немного звезд и магнитные поля)
|
Диск отсутствует. Звезды распределены в объеме, напоминающем эллипсоид.
|
Никаких внутренних особенностей, кроме плотного ядра в центре. Структура отсутствует.
|
Состав звезд
|
Диск содержит молодые и старые звезды. Ядро − только старые
|
Только старые звезды.
|
Молодые и старые звезды.
|
Газ и пыль
|
В диске довольно много газа и пыли, в гало − мало или нет совсем.
|
Газа и пыли мало или нет совсем.
|
Газа и пыли много.
|
Образование звезд
|
Звезды продолжают рождаться в спиральных рукавах.
|
Звезды практически не образуются последние 10 млрд. лет.
|
Энергичное рождение звезд сейчас.
|
Движение звезд и газа
|
Газ и звезды в диске движутся по эллиптическим орбитам вокруг галактического центра. Звезды в гало движутся хаотически.
|
Звезды движутся хаотически.
|
Звезды и газ движутся хаотически.
|
Эллиптические галактики — класс галактик с четко выраженной сферической структурой и уменьшающейся к краям яркостью. Они сравнительно медленно вращаются, заметное вращение наблюдается только у галактик со значительным сжатием. В таких галактиках нет пылевой материи, которая в тех галактиках, в которых она имеется, видна как тёмные полосы на непрерывном фоне звёзд галактики. Поэтому внешне эллиптические галактики отличаются друг от друга в основном одной чертой — большим или меньшим сжатием.
Доля эллиптических галактик в общем числе галактик в наблюдаемой части вселенной — около 25 %.
В них отсутствует звёздообразование, состоят преимущественно из красных гигантов, желтых и белых карликов. Эллиптические галактики состоят преимущественно из старых звезд.
Спиральные галактики названы так, потому что имеют внутри диска яркие рукава звёздного происхождения, которые почти логарифмически простираются из балджа (почти сферического утолщения в центре галактики). Спиральные галактики имеют центральное сгущение и несколько спиральных ветвей, или рукавов, которые имеют голубоватый цвет, так как в них присутствует много молодых гигантских звезд. Эти звезды возбуждают свечение диффузных газовых туманностей, разбросанных вместе с пылевыми облаками вдоль спиральных ветвей. Диск спиральной галактики обычно окружён большим сфероидальным гало (светящееся кольцо вокруг объекта; оптический феномен), состоящим из старых звёзд второго поколения. Все спиральные галактики вращаются со значительными скоростями, поэтому звезды, пыль и газы сосредоточены у них в узком диске. Обилие газовых и пылевых облаков и присутствие ярких голубых гигантов говорит об активных процессах звездообразования, происходящих в спиральных рукавах этих галактик.
Наиболее распространенным типом галактик являются спиральные.
Спиральные галактики с баром (или ещё называют «с перемычкой») относятся к типу спиральных галактик, но содержат так называемую «перемычку», которая проходит через центр галактики — его ядро. Спиральные ветви (рукава) расходятся от концов этих перемычек. В обычных спиральных галактиках ветки расходятся от самого ядра.
Наша Галактика также относится к спиральным галактикам с перемычкой. Она содержит около 1011 звезд и имеет форму тонкого диска с утолщением в центре.
Галактка Андромеды
Линзообразные галактики — это промежуточный тип между спиральными и эллиптическими. У них есть балдж, гало и диск, но нет спиральных рукавов. Их примерно 20% среди всех звездных систем. В этих галактиках яркое основное тело – линза, окружено слабым ореолом. Иногда линза имеет вокруг себя кольцо.
Неправильные галактики — это галактики, которые не обнаруживают ни спиральной, ни эллиптической структуры. Чаще всего такие галактики имеют хаотичную форму без ярко выраженного ядра и спиральных ветвей. Большинство неправильных галактик в прошлом являлись спиральными или эллиптическими, но были деформированы гравитационными силами.
Данный тип имеют не больше 5% от общего числа галактик.
Магеллановы Облака — двое галактик-спутников Млечного Пути: Большое Магелланово Облако и Малое Магелланово Облако.
В прошлом оба Облака считались неправильными галактиками, но впоследствии у них обнаружилось подобие спиральной структуры и перемычка, и теперь они классифицируются как Магеллановы спиральные галактики. Магеллановы спиральные галактики можно считать промежуточным типом между карликовыми спиральными галактиками и неправильными галактиками.
Галактики с полярными кольцами
Данный вид галактик стоит особняком от других. Их особенностью является то, что имеют два звёздных диска, которые вращаются под разными углами друг относительно друга. Многие считают, что такое возможно из-за слияния двух галактик. Но точного определения того, как образовались такие галактики учёные до сих пор не имеют.
Большинство галактик с полярным кольцом являются линзовидными галактиками или S0. Хоть их и редко можно обнаружить, но зрелище запоминающееся.
Пекулярные галактики
Пекулярная галактика— это галактика, которую невозможно отнести к определенному классу, поскольку она обладает ярко выраженными индивидуальными особенностями. Для этого термина не существует однозначного определения, отнесение галактик к этому типу может оспариваться.
Они уникальные в своём роде. Найти их на небе очень не просто и требуются профессиональные телескопы, но увиденное выглядит потрясающе.
Существуют и взаимодействующие галактики. Они обычно находятся на небольших расстояниях друг от друга, связаны «мостами» из светящейся материи, иногда как бы пронизывают одна другую.
Их взаимная гравитация существенно влияет на форму, движение вещества и звёзд, на процессы звездообразования, а в некоторых случаях и на обмен веществом между галактиками. Для взаимодействующих галактик характерно наличие «хвостов», «мостов» и выбросов вещества.
Компактные далекие галактики, обладающие мощным нетепловым радиоизлучением, называются N-галактиками.
Звездообразные источники с таким радиоизлучением, называются квазарами (квазозвездными радиоисточниками), а галактики обладающие мощным радиоизлучением и имеющие заметные угловые размеры, - радиогалактиками. Все эти объекты чрезвычайно далеки от нас, что затрудняет их изучение. Радиогалактики, имеющие особенно мощное нетепловое радиоизлучение, обладают преимущественно эллиптической формой, встречаются и спиральные.
Радиогалактики - это галактики, у которых ядра находятся в процессе распада. Выброшенные плотные части, продолжают дробиться, возможно, образуют новые галактики - сестры, или спутники галактик меньшей массы. При этом скорости разлета осколков могут достигать огромных значений. Исследования показали, что многие группы и даже скопления галактик распадаются : их члены неограниченно удаляются друг от друга, как если бы они все были порождены взрывом.
Центавр A (NGC 5128) — линзовидная галактика (S0) с полярным кольцом, находящаяся в созвездии Центавр. Это одна из самых ярких и близких к нам соседних галактик, нас разделяет 12 млн св. лет, а видимый блеск галактики на небе +6,6m. По яркости галактика занимает пятое место (после Магеллановых Облаков, туманности Андромеды и галактики Треугольника).
Образование галактик рассматривают как естественный этап эволюции Вселенной, происходящий под действием гравитационных сил.
Галактики — крупные конгломераты звезд, содержащие также некоторое — весьма разное — количество газа и пыли. Галактики — основной видимый структурный элемент Вселенной (Галактики, 2017). Если вы разглядываете Вселенную, то видите в ней именно галактики. Теоретики расскажут вам, что на самом деле Вселенная состоит из темной материи и управляется темной энергией. Но в наблюдениях мы видим и прослеживаем структуры во Вселенной именно через исследование галактик. Поэтому наблюдательное исследование эволюции Вселенной — это исследование эволюции галактик. Такой «экстремистский» тезис я буду доказывать, обосновывать, иллюстрировать на протяжении всей этой книги.
Исследование эволюции галактик сейчас переживает бурное развитие в связи с развитием техники астрономических наблюдений. Теория пока не поспевает за наблюдательными открытиями, поэтому ключевые концепции приходится пересматривать достаточно часто.
Вопросы происхождения и эволюции галактик начали ставить сразу, как только возникла внегалактическая астрономия. Эдвин Хаббл создавал свою морфологическую классификацию галактик, считая, что он рисует эволюционную последовательность. Если рассматривать морфологическую схему Хаббла (рис. 1.1) слева направо, как принято читать и писать у европейцев, то в начале эволюционной, как думал Хаббл, последовательности идут эллиптические галактики — однородные и бесструктурные сфероиды. Затем идут линзовидные галактики, у которых уже можно различить два компонента — плоский диск и сфероидальный балдж. А за ними следуют разнообразные спиральные галактики: у них есть и балдж, и диск, и спиральные рукава, и области звездообразования, а иногда глобальные бары (перемычки, пересекающие центр галактики), и множество более мелких структур. Сам Хаббл считал, что любая галактика сначала формируется как эллиптическая, апотом у нее постепенно развиваются и другие компоненты помимо сфероидального. Отголоски его воззрений остались в нашей современной терминологии: вслед за Хабблом мы до сих пор называем те галактики, что на схеме Хаббла слева, галактиками «ранних типов», а те, что справа, — галактиками «поздних типов». Впрочем, эволюционный смысл схемы Хаббла был очень быстро отвергнут, как только накопилась достаточная статистика измерений глобальных характеристик галактик. Во-первых, оказалось, что галактики разных морфологических типов заполняют разные интервалы масс: среди эллиптических есть и очень массивные, до 1012 масс Солнца (М☉) в виде звезд, и совсем карликовые, чуть массивнее шаровых скоплений, т. е. 106–107 М☉. Спиральные же галактики бывают только «средней» массы — они встречаются в узком диапазоне интегральных абсолютных звездных величин: примерно от Мв ≈ −18 до Мв ≈ −21, т. е. масса их звездного населения 1010–1011 М☉.
Невозможно вообразить себе механизм эволюции, вынуждающий эллиптическую галактику в процессе развития сбрасывать звездную массу, чтобы встроиться в нужный интервал светимостей и превратиться в спиральную галактику. Кроме того, эллиптические и дисковые галактики обладают принципиально разным моментом импульса: эллиптические вращаются очень медленно или почти совсем не вращаются, спиральные же демонстрируют весьма значительный момент. Откуда они его могут взять на промежуточных стадиях эволюции? В схеме Хаббла указаний на это не было.
К 1970-м годам среди астрономов утвердилось мнение, что галактики разного морфологического типа имеют разные начальные условия и сценарии формирования, поэтому не могут превращаться друг в друга. Любопытно, что это мнение продержалось недолго. Уже к середине 1990-х годов вновь возникла идея эволюционной трансформации морфологических типов, но теперь вектор направления эволюции развернулся в противоположную сторону: сейчас теоретики считают, что сначала образуются чисто дисковые галактики (т. е. спиральные совсем поздних типов), потом у них в ходе вековой (т. е. медленной, постепенной) эволюции нарастают балджи, а потом они и вовсе сливаются друг с другом и в результате «мержинга» (англ. merge — объединяться, сливаться) начинают новую жизнь уже как сфероидальные эллиптические галактики.
Однако чтобы образовать любую звездную структуру, нужны сами звезды. Что касается основного элемента процесса формирования всех типов галактик, т. е. образования звезд, то в середине XX века существовали две конкурирующие концепции: космогония Дж. Джинса, для которой ключевое слово — «конденсация», и космогония В. А. Амбарцумяна, ключевое слово — «разлет». Согласно концепции Джинса, звезды (и галактики) образовывались в результате гравитационного коллапса (сжатия) и сопутствующей ему фрагментации газовых облаков. Механизм этого процесса — гравитационная неустойчивость — был совершенно понятен всем исследователям; источники энергии для поджига термоядерных реакций в звездах тоже вполне традиционны и хорошо изучены в рамках классической термодинамики. Концепция же Амбарцумяна вдохновлялась загадочной тогда колоссальной энергетикой активных ядер галактик. Предполагалось, что в них существует некое «дозвездное вещество» (сокращенно называемое «Д-телами»), которое обладает кучей неизвестных свойств, поскольку сама природа его неизвестна, а также одним известным свойством: оно само по себе разлетается (взрывается) с мощным выделением энергии, и из его брызг и образуются звезды. Таким образом, предполагалось, что изначально было ядро галактики, а потом вокруг него уже надстраивались все остальные структуры галактики. Несмотря на энтузиазм и талант Амбарцумяна и его сотрудников и многолетние усилия большой и хорошо оснащенной Бюраканской обсерватории в Армении, детализировать природу «дозвездного вещества», источник его энергетики и механизм его разлета так и не удалось. В итоге окончательно победила концепция Джинса.
Три кита, на которых стоит теория эволюции галактик
Все исследования формирования и эволюции галактик опираются прежде всего на физическую модель. Хотя в перспективе это должна быть единая, самосогласованная модель, но исторически сложилось так, что до сих пор практически независимо рассматривается три класса физических механизмов, формирующих и изменяющих структуру и наблюдаемые характеристики галактик — их размер, блеск, цвет, внутренние движения. Эти три класса механизмов — три кита, на которых покоятся (или, напротив, быстро изменяются) наши представления об эволюции галактик, — следующие:
динамическая эволюция,
спектрофотометрическая эволюция,
химическая эволюция галактик.
В классическом варианте теории динамическая эволюция понималась прежде всего как ранняя стадия эволюции, относящаяся собственно к формированию галактики. Эта традиция объяснялась тем, что большинство галактик вокруг нас выглядят как динамически устойчивые, прорелаксировавшие системы; судя по всему, в них выполняется теорема вириала, 2T + U = const, где T — кинетическая энергия системы, а U — ее потенциальная энергия. Поэтому сначала предполагалось, что бурные динамические процессы, оформившие в основном структуру галактик, относились к первому миллиарду лет их жизни, к эпохе коллапса протогалактического газового облака и основного звездообразования в нем. А позже динамические эффекты лишь слегка изменяли структурные характеристики: например, из-за увеличения хаотических скоростей старых звезд («динамический нагрев») могли утолщаться диски галактик.
В последние десятилетия общее мнение о важности динамических процессов в структурной эволюции современных галактик стало радикально меняться. Прежде всего, зрелищный феномен взаимодействия галактик, хотя и достаточно редкий в нашу эпоху, все же навел астрономов на мысль, что галактики могут сливаться, а в давние времена, когда плотность вещества в расширяющейся Вселенной была выше, чем сейчас, и частота слияний тоже могла быть выше. Эту идею сейчас подхватили и успешно эксплуатируют космологи; согласно их сценариям, вся эволюция галактик — это череда последовательных слияний. Между тем, конечно, слияния («мержинг», как говорят западные коллеги) — это динамические катастрофы, которые полностью перестраивают галактику и дают начало ее новой жизни. Кроме катастроф, могут существовать и плавные, монотонные, но тем не менее существенные изменения в структуре галактик под действием разного рода динамических неустойчивостей; такие изменения называют «вековой эволюцией». В последнее время все более популярной становится идея о том, что даже такие глобальные структуры в галактиках, как бары (центральные перемычки), которые дали Хабблу основание выделить особую ветвь морфологической классификации галактик, SB-ветвь (внизу справа на рис. 1.1), на самом деле не являются пожизненным атрибутом галактики: в ходе вековой эволюции они могут возникать, потом рассасываться, потом возникать снова. Также вековая эволюция может изменять соотношение размеров балджа и диска в галактике и даже менять ее морфологический тип.
Спектрофотометрическая эволюция галактик — т. е. эволюция их светимости, цвета и спектра — определяется суммарным эффектом эволюции составляющих ее звезд. При наблюдениях мы можем разрешить на отдельные звезды только самые близкие к нам галактики; для подавляющего же большинства галактик доступны измерениям только интегральные потоки — сумма излучений всех звезд, составляющих данную галактику или данную область галактики.
Простейшим аналогом галактик как звездных систем являются звездные скопления, которые состоят из звезд одного возраста и одного химического состава, но разной массы. Галактика же в общем случае состоит из многих поколений звезд, т. е. как бы представляет собой сумму гиперскоплений разных возрастов; в самосогласованной (идеальной) модели и металличность поколений должна быть разной в соответствии с ходом химической эволюции в галактике. На деле же пока более успешными, в плане сравнения с наблюдениями, являются модели звездных населений галактик с единым химическим составом для всех звезд — химическим составом, вероятно, соответствующим среднему, взвешенному по светимости звезд, обилию элементов в звездах галактики.
Спектрофотометрические модели галактик строятся численным интегрированием (сложением) спектров звезд, которые, в свою очередь, берутся из хорошо разработанной теории эволюции звезд. Определяющими параметрами эволюционных треков звезд на диаграмме Герцшпрунга — Рассела служат масса и металличность звезды, поэтому интегрирование проводится по массам и возрастам звезд, а металличность фиксируется как параметр модели галактики. При этом, конечно, надо знать или задавать из априорных предположений распределения звезд в галактике по массам и возрастам. В самом простом случае предполагается, что в определенный момент времени образовался некий конгломерат звезд разных масс, но одинаковой металличности, и дальше он спокойно эволюционировал без добавления туда новых звезд. Такой частный вариант модели еще называют «пассивной эволюцией» и довольно успешно применяют его для описания эволюции эллиптических галактик. Расчеты показывают, что пассивно эволюционирующая система звезд с возрастом тускнеет и краснеет, поскольку наиболее массивные, яркие голубые звезды заканчивают свой жизненный путь раньше, чем менее массивные. К возрасту около 10 млрд лет такая звездная система уже состоит только из звезд, менее массивных, чем Солнце, и ее спектрофотометрическая эволюция сильно замедляется. Поэтому эллиптические галактики на красных смещениях z = 0 и z = 0,5 выглядят совершенно одинаковыми, хотя более далекие из них — на z = 0,5 — в среднем на 3–5 млрд лет моложе. А вот если в галактике в середине или на любом другом промежуточном этапе ее жизненного пути образовывались новые молодые звезды, то она в этот момент «омолаживалась», т. е. ярчала и голубела, и дальше эволюция должна была пойти уже немного по-другому, в частности — в более резвом темпе.
Если коротко охарактеризовать самые общие впечатления от современных цветов и светимостей близких галактик, то они хорошо описываются моделями, в которых практически все галактики — старые, т. е. первая вспышка звездообразования состоялась более 10 млрд лет назад, а дальше — чем более ранний морфологический тип у галактики, тем меньше было характерное время затухания ее глобального звездообразования. В эллиптических галактиках все должно было закончиться менее, чем за 1 млрд лет, а в Sc-галактиках звездообразование тлеет примерно на постоянном уровне все время ее жизни. В неправильных и карликовых галактиках вообще предполагается «вспышечный», т. е. сильно неравномерный ход глобального звездообразования.
Химическая эволюция галактик — это история происхождения химических элементов. Согласно современным представлениям, только самые легкие элементы — водород и его изотопы, гелий и литий — образовались в Большом взрыве, в первые несколько минут жизни Вселенной. Все остальные элементы образуются в звездах в процессе их эволюции, в ходе термоядерных реакций. Различают несколько классов ядерных реакций, характерных для звезд различных масс в разные периоды их жизни: протон-протонную цепочку, CNO-цикл, горение гелия, горение углерода, s-процессы, г-процессы и т. д. (Звезды, 2013). Мнения теоретиков о вкладе тех или иных реакций в производство каждого конкретного химического элемента еще окончательно не устоялись. Однако те, кто моделирует химическую эволюцию галактик, смело берут «state-of-art», т. е. самые свежие расчеты звездного нуклеосинтеза, а далее интегрируют производство химических элементов по времени и по массам звезд точно так же, как при спектрофотометрическом моделировании интегрировали светимости звезд. Параметры модели, соответственно, те же самые — начальное распределение звезд по массам и история звездообразования в галактике, плюс теория звездного нуклеосинтеза, которая на данный момент считается заданной.
В астрономии все элементы тяжелее гелия традиционно называют «металлами», в этом мы терминологически расходимся с химиками. Поскольку металлы в звездах синтезируются, но практически не разрушаются, металличность галактики со временем всегда возрастает, но с какой скоростью и по какому закону — это уже зависит от деталей модели. В области химической эволюции галактик у исследователей есть мощный эталон, которого нет в области спектрофотометрической эволюции, — это наша собственная Галактика. Посмотреть на нее со стороны и измерить светимость мы не можем, а вот измерить химический состав отдельных звезд — можем. Химический состав звезд Галактики уже давно исследуется в массовом порядке, есть хорошая статистика, но нельзя сказать, что она сильно проясняет ситуацию. Вроде бы самые первые звезды должны образовываться из первичного газа, не прошедшего еще через цепь термоядерных реакций в недрах звезд, а потому имеющего нулевую металличность. Однако в нашей Галактике пока не найдено ни одной звезды с нулевой металличностью. Куда же делись маломассивные долгоживущие первичные звезды с нулевой металличностью? Или откуда взялся ненулевой уровень начальной металличности в нашей Галактике? Вроде бы металличность газа и соответственно звезд, из него образующихся, должна монотонно возрастать со временем, но в диске Галактики до сих пор не найдено убедительной антикорреляции металличности звезд с их возрастом. Возраст Солнца — не менее 4,5 млрд лет, но современная металличность межзвездной среды очень близка к солнечной. Чем объяснить практически нулевой темп обогащения металлами межзвездной среды галактического диска?
А наблюдательная техника продолжает развиваться. Сейчас уже в звездах измеряют детальный химический состав — не общую металличность, а содержание отдельно железа, кислорода, магния, кальция и т. д. Соответственно, и от современной теории химической эволюции галактик теперь уже требуются сценарии, объясняющие не только общую металличность, но и соотношение содержаний отдельных химических элементов на каждом этапе эволюции и в разных типах галактик. Нельзя сказать, что задачи теории химической эволюции упрощаются со временем — а мы и прежние еще не решили...
Эволюция галактик может изучаться с помощью двух основных подходов — либо подробное исследование близких галактик разных типов и построение моделей, которые дают похожие на наблюдаемые конечные результаты эволюции; либо прямое наблюдение галактик на разных красных смещениях, что из-за конечной скорости света позволяет увидеть последовательные стадии эволюции, начиная с самых ранних. В жизни галактики важны следующие процессы, составляющие разные стороны ее эволюции: динамическая эволюция, определяющая также и структуру галактики; эволюция звездного населения, определяющая интегральное излучение галактики; наконец, химическая эволюция, отражающая изменение химического состава газа и звезд в галактике. Одним из самых главных вкладчиков в эти различные стороны эволюции галактики является ее история звездообразования.
Динамическая и структурная эволюция.
Динамическая и структурная эволюция. Механизмы динамической эволюции галактик весьма многообразны. В свое время Корменди и Кенникат в своем знаменитом обзоре [3] привели структурированную схему всех возможных механизмов динамической эволюции. Они разделили все механизмы на быстрые (динамические времена порядка сотен миллионов лет) и медленные (динамические времена порядка нескольких миллиардов лет), а также на внутренние и внешние, требующие воздействия окружающей среды и/или соседних галактик. Получился квадрат. В углу «быстрых внутренних» царит «монолитный коллапс» — формирование звездного тела галактики из протогалактического газового облака в результате сжатия этого облака под действием собственной гравитации. В углу «быстрых внешних» расположились слияния галактик сравнимых масс (так называемый «большой мержинг») и удаление газа из спиральных галактик, влетающих в скопления галактик, лобовым давлением горячей межгалактической среды. Медленные механизмы называют еще «секулярной» (вековой) эволюцией. В эту категорию входят очень много конкретных воздействий — как внутренние неустойчивости холодных галактических дисков, так и множественное поглощение спутников, и приливные эффекты, связанные с взаимодействием галактик, и плавная аккреция внешнего холодного газа на диск, питающая звездообразование во всех дисковых галактиках. От того, какие динамические механизмы действуют в галактике (на галактику), зависит и ее структура. Например, известно, что большой мержинг — слияние двух спиральных галактик сравнимых масс — породит в итоге одну большую эллиптическую галактику со вспышкой звездообразования в центре. Или если в холодном звездногазовом диске развивается внутренняя неустойчивость, то в его центре образуется бар (перемычка), который, в свою очередь, возмуща78 Универсальные: звездообразование, обогащениеметаллами, энергияотсверхновых ипр. Протогалактический коллапс медленные (секулярные) быстрые механизмыэволюции внутренние внешние связанныесокружением Эволюционныеизменения связанныесо слиянием галактикилиобдираниемгаза лобовымдавлением Внутренняясекулярная эволюцияиз-завлияния – барнойнеустойчивости – галотемнойматерии – спиральнойструктуры – ядернойчернойдыры – галактическоговетраифонтанов идр. Секулярнаяэволюция, связанная – спродолжительной аккрециейгаза – свзаимодействием междугалактиками Рис. 2. Классификация механизмов динамической эволюции согласно [3] ет газ и заставляет его стекать в центр галактики. Здесь, в центре галактики, скопившийся газ может либо превратиться в звезды и нарастить балдж, либо запитать центральную сверхмассивную черную дыру и таким образом зажечь активное ядро в галактике. Звездообразование в спиральных галактиках, как правило, проистекает довольно равномерно, падая по экспоненте в течение миллиардов лет. Если на тех же характерных временах происходит радиальное перераспределение газа — из внешних областей во внутренние, — то формируются экспоненциальные профили поверхностной яркости звездных дисков галактик, которые реально и наблюдаются в спиральных и линзовидных галактиках практически в универсальном режиме [4]. 7 Спектрофотометрическая эволюция галактик — это изменение со временем распределения энергии в интегральном спектре галактики. Наиболее наглядно она проявляется в изменении цвета галактики или каких-то частей галактик. Особо выделяют «пассивную эволюцию» спектра галактики: это если одномоментно образовалось какое-то поколение звезд и далее все эти звезды мирно эволюционировали сами по себе. В процессе пассивной эволюции первыми, через какие-то 10—30 млн лет, вымирают самые массивные звезды спектрального класса O, и интегральный цвет галактики перестает быть голубым. Через миллиард лет приходит черед умирать для звезд массой 2 M⊙, и галактика становится желтой. Старые звездные системы — а к ним относят шаровые скопления и эллиптические галактики — имеют в своем звездном составе только звезды с массой 1 M⊙ и меньше, т. е. в основном карлики и гиганты спектрального класса G и позже. Из-за этого эллиптические галактики красные. А вот шаровые скопления все равно голубые, хоть и старые. Это оттого, что химический состав звезд шаровых скоплений очень беден металлами — на порядок и даже на два беднее, чем Солнце. Понижение металличности звезд повышает прозрачность их атмосфер и приводит к поголубению. Шаровые скопления — звездные системы, пассивно эволюционировавшие в течение последних 11—13 млрд лет, — выглядят такими же голубыми, как массивные Sc-галактики, у которых солнечный химический состав и довольно интенсивное звездообразование все последние 5—8 млрд лет. Это называется «эффект вырождения возраста и металличности». Химическая эволюция галактик и Вселенной в целом — это изменение химического состава газа и звезд в галактиках, которое последние 13.5 млрд лет происходит из-за того, что газ превращается в звезды, проходит через цикл термоядерных реакций в звездах и после смерти звезды выбрасывается в межзвездную среду уже обогащенным вновь синтезированными химическими элементами. То есть химическая эволюция галактик тесно связана с их историей звездообразования (как, впрочем, и спектрофотометрическая эволюция). Надо сказать, что основа химического состава Вселенной — 70 % по массе водорода и 25 % гелия — нам досталась в наследство от Большого взрыва. Именно в первые 20 мин жизни Вселенной, еще в супе из свободно летящих фотонов, а вовсе не в звездах, были синтезированы водород с изотопами дейтерий и тритий, гелий (оба изотопа), литий (оба изотопа) и немного бериллия, который, впрочем, был нестабилен и весь распался в литий. Все эле80 менты тяжелее бора, — это продукты термоядерных реакций в звездах. Много лет спектроскописты охотятся за звездой «нулевой металличности» — той, которая унаследовала бы первичный химический состав от Большого взрыва, звездой из самого первого поколения звезд. Однако эта охота до сих пор безуспешна: удалось найти в гало нашей Галактики лишь несколько звезд с металличностью одна десятитысячная — одна стотысячная от солнечной. Отсюда родилась гипотеза, почти миф, о звездах «населения III», которые насинтезировали начальный уровень металлов и все умерли, потому что все были очень массивными. Теперь в спектрах очень далеких галактических дисков пытаются найти характерный рисунок (соотношение обилия различных элементов таблицы Менделеева), который не похож на все, что мы видим вблизи нас, который можно было бы приписать сверхмассивным звездам «населения III». Наблюдения далеких галактик — прямая эволюция? Скорость света конечна. Это означает, что от далеких объектов свет до нас идет вполне заметное время. От ближайшей звезды свет идет до нас 4 года. От далеких галактик свет идет до нас миллиарды лет. Это означает, что, наблюдая галактику сегодня, мы на самом деле видим ее такой, какой она была миллиарды лет назад. И чем дальше от нас галактика, которую мы сегодня наблюдаем, тем дальше в ее прошлое мы проникаем. На рис. 3 показано, как связаны красное смещение наблюдаемой галактики и то, насколько давно она была такой, какой мы ее сегодня видим. Поскольку время, потраченное светом на то, чтобы дойти до нас, зависит от геометрии пространства, в соотношение рис. 3 входят космологические параметры. Согласно современным представлениям о космологических параметрах, характеризующих всю Вселенную целиком (а они известны космологам очень точно), галактики на красном смещении 0.5 мы наблюдаем 5 млрд лет назад, галактики на красном смещении единица — 8 млрд лет назад. Сейчас на больших телескопах уже успешно наблюдаются большие выборки галактик на красном смещении 5, а это всего 1 млрд лет после Большого взрыва. Можно сказать, что всю эволюцию галактик мы реально наблюдаем «на просвет», прощупывая одну эпоху за другой. Что это, прямое наблюдение эволюции галактик? На самом деле не все так просто. В разные эпохи мы сейчас наблюдаем разные галактики, а не одну и ту же. На81 селения галактик на разных красных смещениях могут быть весьма непохожи друг на друга. Чтобы построить эволюционную последовательность, связать разные галактики на разных красных смещениях в единую цепочку эволюционных стадий, все равно нужна модель. Этот подход к эволюции галактик тоже модельно зависим. 0 0 13.49 8.44 5.76 3.23 2.12 1.16 0.47 0.18 –1 –1.5 –2 0 0.5 1 1.5 0.5 –0.5 1 2 3 5 10 20 z – ноесмещение t– во
раст м
р
ет log ( 1 +z log ( t / t = 0 0
0 3 0
0 7 H0
70 м с -- Рис. 3. Связь между красным смещением объекта и моментом в жизни Вселенной, в который мы его наблюдаем — из-за конечной скорости света Насколько реально велики трудности прямого наблюдательного подхода к исследованию эволюции галактик на больших красных смещениях, показала история с глубокими хаббловскими полями. Тут имя собственное относится не к Эдвину Хабблу, а к космическому телескопу имени Хаббла. Когда в 1994 г. удалось исправить пространственное разрешение изображений, получаемых Хаббловским космическим телескопом, до одной десятой секунды дуги, пришло время замахнуться на далекие слабые объекты. Была выбрана площадка, на взгляд совершенно пустая, в созвездии Большой Мед82 ведицы, и далее Хаббловский космический телескоп, летая по своей орбите, наводясь на эту площадку время от времени, в конце концов накопил чистые две недели экспозиции. Удалось достичь фотометрического предела около 29-й звездной величины. На полученном в нескольких фильтрах изображении площадки со стороной 2 минуты дуги в результате исследователи разглядели 9 слабых звезд нашей Галактики, около 40 белых карликов и более 2 000 галактик. Самая близкая из них — эллиптическая галактика на z = 0.09. Несколько десятков галактик глубокого Хаббловского поля (северного) находятся на красных смещениях больше 2. Какая галактика самая далекая, оценить трудно: по цвету одна из галактик может быть на красном смещении 12, но она так слаба, что спектра получить не удалось и бесспорного доказательства этого красного смещения не последовало. Открытие, которое немедленно в 1997 г. огласили исследователи глубокого Хаббловского поля (северного), состояло в том, что до красного смещения 1 удалось классифицировать наблюдаемые галактики в рамках схемы Хаббла. То есть последние 8 млрд лет Вселенная была наполнена в основном спиральными галактиками, а также галактиками линзовидными и эллиптическими. А вот на z > 1.5 привычные Хаббловские морфологические типы исчезают, и галактики становятся странными на вид: это цепочки или кучки небольших сгустков размером каждый до 1 кпк. Космологи торжествовали: они же предсказывали, что сначала образуются карликовые диски, которые потом сливаются в более крупные галактики. Ну вот же, в глубоком Хаббловском поле они сливаются на глазах! Астрономынаблюдатели были более осторожны: а может быть, мы просто видим самые яркие области звездообразования на фоне больших дисков, области, которые затмевают собой слабый окружающий диск без звездообразования? Разрешить этот спор могла только динамика: лучевые скорости сливающихся сгустков должны различаться куда сильнее, чем скорости областей звездообразования одного и того же диска. Через десять лет подоспели панорамные спектрографы на 8-метровом телескопе VLT, построили карты лучевых скоростей комковатых галактик, и да — это оказались единые большие диски с регулярным круговым вращением, только звездообразование в них происходит в гигантских сгустках, которых в настоящую эпоху уже почти не осталось. Спиралей в таких дисках быть не может, как и баров: они слишком толстые, динамически горячие, устойчивые против внутренних неосесимметричных возмущений. А вот гравитационная 83 неустойчивость газового компонента дисков, который в этих далеких галактиках 10 млрд лет назад почти равнялся по массе звездному компоненту, работает и приводит к фрагментации газового диска на гигантские плотные сгустки, в которых звездообразование идет на порядок более эффективно, чем в современную эпоху в спиральных ветвях. Наблюдения далеких галактик — критический тест для сценариев эволюции Очень показательной в качестве иллюстрации важности и взаимодополняемости двух подходов к исследованию эволюции галактик является история со сценарием эволюции гигантских эллиптических галактик. Начиная со второй половины 70-х гг. прошлого столетия, когда начались точные спектральные наблюдения галактик, все думали, что эллиптические галактики образуются большим мержингом — слиянием примерно равных по массе спиральных галактик. Дело в том, что гигантские эллиптические галактики почти не вращаются, а любое протогалактическое облако, будь оно газовое или из темной материи, обязано иметь момент вращения, потому что мимо летают соседи и приливным гравитационным воздействием его обязательно раскручивают. Момент вращения отнять довольно трудно, — это не энергия, которую газ может просто высветить. И в конце концов придумали чуть ли не единственно возможный динамический механизм, благодаря которому звездная система теряет момент: слияние галактик сходных масс. При таком слиянии («большом мержинге») происходит бурная релаксация, и, как показывают расчеты, конечный «продукт» будет сфероидальным и не будет вращаться. Как раз в точности как эллиптические галактики. Однако в 2000-х гг. с этим сценарием возникли проблемы. Численное моделирование больших мержингов с высоким пространственным разрешением показало, что все хорошо, но... исчезают радиальные градиенты металличности, даже если до этого они и были в сливающихся дисках [5]. Потому что релаксация при слияниях такая бурная, что все перемешивается, в том числе и по радиусу, и галактика приобретает абсолютно однородный химический состав звезд во всех своих частях. Между тем в эллиптических галактиках радиальные градиенты металличности есть. Мы в 2007 г. опубликовали результаты глубокой спектроскопии пяти близких гигантских 84 эллиптических галактик, наблюдавшихся на 6-метровом телескопе САО РАН [6]. Поскольку наша спектроскопия была глубже, чем обычно получали до нас, мы впервые зафиксировали изломы градиентов металличности примерно на половинке эффективных радиусов. То есть во внутренних частях эллиптических галактик получались очень крутые градиенты металличности, несовместимые с событием большого мержинга в жизни галактики, по крайней мере в последние 10 млрд лет. А во внешних частях градиенты металличности получились плоские, т. е. для внешних частей допускалось бурное радиальное перемешивание звездного населения. И тогда в 2007 г. мы предложили сценарий образования и эволюции гигантских эллиптических галактик, в котором было два главных этапа. Сейчас этот сценарий называют «двухфазным». Первый этап, который должен был состояться раньше, чем z = 3, подразумевал монолитный коллапс большого газового облака с последующим звездообразованием, — в таком сценарии ожидается компактный размер получившейся звездной системы из-за диссипации энергии газа при коллапсе, и крутой градиент металличности из-за более эффективного звездообразования в самых внутренних частях галактики. А потом, позже, на протяжении многих миллиардов лет на эту компактную «затравку» должны были падать в большом количестве спутники; из-за большого орбитального момента их звезды должны были перемешиваться на периферии галактики, и там градиент металличности должен был пропадать, а во внутренней области — сохраняться. В результате этого, второго этапа эволюции и получались современные эллиптические галактики. Интересно, что примерно в то же самое время аргументы в пользу такого сценария пришли с другой стороны — из наблюдений далеких эллиптических галактик на красных смещениях 1.5—2. Накопились данные с Хаббловского космического телескопа по изображениям далеких гигантских эллиптических галактик со звездной массой больше ста миллиардов солнечных масс, и оказалось, что тогда, 9—10 млрд лет назад, гигантские эллиптические галактики имели размер в 5—7 раз меньше, чем эллиптические галактики с такой же массой имеют в наши дни ( [7], например). Стали искать механизм динамической эволюции, который позволил бы сильно увеличить размер («раздуть» галактику), не сильно изменяя ее массу. Большой мержинг не подходил: при большом мержинге размер увеличивается пропорционально массе. Если взять на z = 2 галактику массой 200 млрд солнечных масс и большим мержингом увеличить ее в пять 85 раз, то получится масса триллион солнечных масс! Таких огромных эллиптических галактик рядом с нами в большом количестве нет. И в результате исследователи пришли к «двухфазному» сценарию [8]: сначала в быстром слиянии газовых сгустков (что эквивалентно сценарию монолитного коллапса по Ларсону) бурно рождаются звезды, потом звездообразование останавливается зажегшимся в центре галактики квазаром, и впоследствии на компактную, пассивно эволюционирующую затравку падают карликовые галактики без газа, которые наращивают ее радиус до современных размеров. Сейчас этот двухфазный сценарий является общепринятым; на рис. 4 я привожу картинку из галереи NASA, предназначенную для широкой публики. То есть этот сценарий формирования и эволюции эллиптических галактик стал каноническим. Рис. 4. Современный сценарий эволюции эллиптических галактик — NASA Legacy gallery 86 Библиографические |
|
|
Скачать 53.19 Kb.