Зияющие высоты метагалактики

2018 г.

СТАТЬИ

Зияющие высоты метагалактики

Так выглядел прибор для наблюдения за звёздами в 17-м веке.
Иоанн Гевелий и его супруга сообща наблюдают светила.
По Гевелию, «Mashina coelestis», 1673 г.

Виктор Амазаспович Амбарцумян, знаменитый астрофизик и президент Академии Наук Армянской ССР, в своей статье «Об эволюции галактик» одним из первых в шестидесятые годы прошлого века дал анализ основных тенденций в развитии Вселенной. Есть смысл ознакомиться с его видением мира звёзд, так как закупки телескопов населением приобретает массовый характер. Интерес к небесным светилам с древнейших времён будоражил умы. Не прошел он и поныне, в двадцать первом столетии. Поэтому мы и предлагаем к прочтению этот не потерявший актуальности материал:

«Современные оптические телескопы и радиотелескопы позволяют нам получать информацию о небесных телах, находящихся на расстояниях в несколько миллиардов световых лет. Таким образом, астрономы второй половины XX века могут изучить явления в огромном объеме пространства. Эту доступную нам часть Вселенной удобно называть «астрономической Вселенной».

Нет сомнений, что новые средства исследования и, в частности, предстоящий вывод телескопов за Пределы нашей атмосферы еще больше расширят границы астрономической Вселенной.

Изучая астрономическую Вселенную, мы ставим перед собой две цели. Прежде всего пытаемся изучать отдельные тела и локальные процессы, надеясь понять глубже свойства и закономерности развития отдельных небесных тел и их систем — звезд, галактик, скоплений галактик. Этим занимается внегалактическая астрономия. Кроме того, анализ наблюдений астрономической Вселенной позволяет делать наиболее правдоподобные заключения о строении Вселенной в целом. Это уже составляет предмет космологии.

В настоящей статье мы остановимся лишь на некоторых фундаментальных вопросах внегалактической астрономии.

Как известно, основная масса вещества нашей Галактики, как и любой другой галактики, сосредоточена в звездах. Например, наша Галактика состоит из более чем 100 миллиардов звезд, а галактика М 31 в созвездии Андромеды содержит более 400 миллиардов звезд.

Но наряду с очень большими галактиками встречаются галактики умеренных размеров, которые состоят только из нескольких сотен миллионов или нескольких миллиардов звезд, и галактики-карлики, состоящие всего из нескольких миллионов или десятков миллионов звезд. Галактики-карлики встречаются в пространстве гораздо чаще, чем галактики-сверхгиганты. Но последние столь богаты звездами, что подавляющее большинство всех звезд, существующих во Вселенной, все же сосредоточено в галактиках-сверхгигантах, или, как мы говорим, в галактиках наивысшей светимости.

Учитывая, что большая часть вещества входит в звезды, мы, таким образом, приходим к следующему выводу: большая часть массы Вселенной сосредоточена в относительно небольшом числе галактик-сверхгигантов. Чтобы яснее представить себе значение этого факта, следует принять во внимание, что галактики встречаются во Вселенной скоплениями и группами, как, например, богатые скопления галактик в Деве и в Волосах Вероники. Примерами бедных групп могут служить: локальная группа галактик, в которую входит наша Галактика, галактика Андромеды и группа галактик вокруг галактики М 81. Каждая из этих бедных групп содержит десять или двадцать галактик. Обычно одна или две из них — это галактики высокой светимости, масса которых значительно превосходит суммарную массу всех остальных членов группы. Аналогично этому, богатые скопления галактик содержат несколько сверхгигантов, суммарная масса которых превосходит суммарную массу всех остальных, более слабых галактик, количество которых может исчисляться сотнями.

Таким образом, галактики-сверхгиганты играют основную роль в скоплениях галактик, в состав которых они входят. Это означает, что, говоря о происхождении развитии скоплений галактик, мы должны прежде всего постараться понять вопросы эволюции галактик-сверхгигантов, так как появление всех других более слабых членов скоплений является лишь вторичным фактором, сопровождающим появление и эволюцию галактик-сверхгигантов.

В этом отношении здесь ситуация в известной степени аналогична той, которая имеет место в солнечной системе, где главная часть массы сосредоточена в одном теле — в Солнце. Поэтому вопрос о происхождении солнечной системы тесно связан с проблемой происхождения и эволюции Солнца, звезд и галактик.

Что же представляют собой галактики-сверх-гиганты? Оказывается, они могут иметь разное строение, но почти всегда правильную форму. В отличие от этого среди галактик низкой светимости весьма часто встречаются объекты неправильной формы, получившие название иррегулярных галактик.

Большая часть сверхгигантских галактик имеет одну из следующих форм: сферическую, сфероидальную, линзоподобную. Встречаются, однако, и галактики спиральной формы. Примером такой галактики является уже упоминавшаяся галактика М 31.

Важной особенностью галактик-сверхгигантов является то, что у них всегда есть ядра, то есть яркие центральные сгущения, имеющие относительно небольшие линейные размеры, но очень высокую концентрацию звезд. Плотность звезд и в некоторых ядрах иногда в несколько тысяч раз выше средней звездной плотности в остальном объеме соответствующих галактик. Однако, несмотря на это, светимость ядра составляет у большинства сверхгигантов лишь небольшую часть светимости всей галактики (обычно менее одного процента). Многие же галактики низкой светимости ядер не имеют.

Еще недавно было распространено мнение, что ядра являются обычными звездными системами, состоящими только из звезд и небольшого количества газа. С динамической точки зрения такая система может существовать автономно внутри галактик, подобно желтку в яйце. Движение звезд, входящих в ядро, определяется силами, возникающими в самом ядре. Существенно, что размеры ядер, как правило, ничтожны по сравнению с окружающими их галактиками. Так, ядро галактики М 31, по определению американского астронома У. Бааде, имеет диаметр около 15 световых лет, в то время как полный диаметр галактики М 31 в 10 тысяч раз больше и составляет почти 150 тысяч световых лет.

В 1953 году У. Бааде и Р. Минковский доказали, что некоторые из наблюдаемых на небе с помощью радиотелескопов дискретных источников радиоизлучения совпадают с оптически наблюдаемыми галактиками. Если галактики испускают относительно сильное радиоизлучение, то они называются радиогалактиками. Так, например, находящийся в созвездии Лебедя источник радиоизлучения, являющийся вторым по мощности доходящего до Земли потока среди всех дискретных источников, представляет собой радиогалактику. Эту галактику назвали Лебедь А. Интересно, что в оптических лучах та же галактика настолько слаба, что на небе можно указать примерно 100 тысяч других галактик, дающих нам более мощный поток оптического излучения.

Из этого можно заключить, что численное значение отношения интенсивностей радио- и оптического излучения у разных галактик совершенно различно.

Радиогалактика Лебедь А находится от нас на расстоянии почти 600 миллионов световых лет. Многие другие радиогалактики, такие, как Дева А и Центавр А, находятся во много раз ближе, но все же дают меньший поток радиоизлучения. Это значит, что их радиосветимость сильно уступает радиосветимости галактики Лебедь А.

Наблюдения позволили установить, что радиоизлучение, испускаемое радиогалактиками, происходит от одного или двух больших облаков высокой энергии (релятивистских электронов), которые находятся в самой оптической галактике или по соседству с ней.

Как только были открыты радиогалактики, появилась и теория, их объясняющая. Согласно этой теории, каждая радиогалактика представляет собой результат столкновения двух обыкновенных галактик. Радиоизлучение объяснялось при этом, как результат сложных физических процессов, происходящих при столкновении двух галактик.

Однако с самого начала эта теория встретилась с большой трудностью: все известные радиогалактики оказались сверхгигантами, наиболее яркими в оптических лучах членами тех скоплений, в которых они находятся. Между тем число карликовых галактик гораздо больше, чем число сверхгигантов. Поэтому столкновения между ними должны происходить гораздо чаще. Но на основе представления о столкновениях невозможно было объяснить полное отсутствие карликов среди радиогалактик. Открытые же впоследствии многочисленные факты столь противоречили гипотезе столкновений, что от нее отказались даже самые рьяные ее сторонники.

Расчеты подтверждали, что облака частиц высокой энергии, находящиеся в радиогалактиках, должны быстро испускать свою энергию и терять радиояркость. Время жизни этих облаков должно быть порядка одного или нескольких миллионов лет — срок ничтожный по сравнению с продолжительностью жизни самой галактики. Это значит, что состояние радиогалактики есть кратковременный этап в жизни данной галактики. Поскольку, с другой стороны, радиогалактики являются галактиками весьма высокой оптической светимости, то для объяснения наблюдаемой частоты радиогалактик нужно предположить, что все галактики сверхгиганты проходят через эту фазу, возможно даже несколько раз.

Откуда же могут появиться облака частиц высокой энергии в радиогалактике? Такое облако не может быть результатом активности какой-либо звезды, так как отдельная звезда не обладает необходимым запасом энергии. Этот аргумент, так же как и множество других фактов, заставил нас выдвинуть гипотезу, согласно которой облако релятивистских электронов выбрасывается из ядра галактики в результате происшедшего там взрыва. Таким образом, в ядре каждой радиогалактики недавно произошел взрыв, при котором выделилось большое количество энергии — около 1058  или даже 1060 эргов. За последние годы нам стали известны многие другие явления, относящиеся как к радиогалактикам, так и к другим типам галактик, которые целиком подтверждают предположение о взрывах, происходящих в ядрах галактик. Поэтому гипотеза о взрывах в ядрах галактик теперь общепринята.

Является ли превращение галактики в радиогалактику единственно возможным следствием взрыва в ее ядре? Оказывается, что возможны взрывы, которые ведут к совершенно другим изменениям в ядрах галактик.

Еще в 1958 году мы отмечали своеобразие галактики М 82, находящейся в одной из ближайших групп галактик, в группе, связанной с галактикой М 81. Мы привели свидетельства в пользу того, что галактика М 82 является молодой звездной системой. За последние два года американские астрономы Сэндидж и Линде исследовали эту галактику более подробно и обнаружили в ней большую систему газовых волокон, удаляющихся от ядра галактики со скоростью, превосходящей скорость отрыва. В спектре волокон наблюдаются линии водорода, которые в соответствии с принципом Допплера смещены относительно их нормального положения. Нет никакого сомнения, что газы, составляющие эти волокна, были выброшены из центра галактики М 82 с большой скоростью, возможно, в результате взрыва, в ядре примерно полтора миллиона лет назад.

Известно, что многие галактики содержат значительные массы газов. Так, в нашей Галактике, вероятно, 2—3 процента ее массы составляют облака межзвездного газа. В сверхгигантской галактике М 31 газовая компонента составляет 1—2 процента. Поэтому открытие, согласно которому в галактике М 81 наблюдаемые газовые массы были выброшены из центрального ядра, заставило рассмотреть в новом свете вопрос о происхождении газовой составляющей каждой галактики.

В связи с этим следует особо отметить, что группе голландских астрономов во главе с профессором Я. Оортом удалось наблюдать во внутренней части нашей Галактики систематическое движение масс нейтрального водорода от центра. Скорость движения здесь порядка нескольких десятков километров в секунду. Поэтому трудно предполагать, что имел место взрыв. Скорее следует считать, что происходит систематическое истечение газов из ядра.

Такое же явление истечения газов из центральной части наблюдается в галактике М 31. Поэтому трудно избежать общего вывода о том, что в каждой галактике газовая компонента (совокупность газовых облаков) сформировалась из вещества, выброшенного из ядра. При этом в одних случаях имел место взрыв, в других — непрерывное истечение вещества.

Напомним об одной особенности строения галактик и, в частности, нашей Галактики. Эта особенность была установлена в результате трудов К. Ботлингера, Б. Линдблада, Б. В. Кукаркина и У. Бааде. Она состоит в том, что каждую галактику можно представить себе как сумму, как наложение взаимно проникающих субсистем, причем физическая природа звездного населения одной подсистемы часто резко отличается от населения другой подсистемы. Например, звездное население нашей Галактики, грубо говоря, можно разделить на население спиральных рукавов, население диска и население сферического гало. Развитие каждой из этих подсистем, после ее возникновения, происходит по законам звездной динамики, в известной мере независимо от других. Известно, например, что население спиральных рукавов состоит из гораздо более молодых звезд, чем население сферического гало.

Современная звездная астрономия дает основания считать, что не только развитие каждой из указанных подсистем независимо от других, но и возникновение их происходило также в известной степени независимо друг от друга.

Как же могли возникнуть эти подсистемы?

Возьмем для примера вопрос о происхождении спиральных рукавов. Известно, что спиральные рукава состоят главным образом из двух компонентов: из молодых звезд, входящих в звездные ассоциации и звездные скопления, и из газов. Мы только что пришли к выводу, что газовая составляющая Галактики должна была возникнуть из материала, выброшенного ядром. Тогда становится вероятным, что звездное население спиральных рукавов возникло из того же вещества.

Большинство астрофизиков считает, что молодые звезды звездных ассоциаций возникают прямо из газовых облаков, входящих в спиральные рукава. Я лично не думаю, что эволюционная связь между звездными ассоциациями и газовой составляющей спиральных рукавов столь проста. Однако несомненно, что между звездным населением и газовой компонентой спиральных облаков существует генетическая связь. Поэтому заключение о том, что и звездное население спиральных рукавов возникло из вещества, которое было выброшено ядром, является неизбежным.

Переходя к вопросу о населении сферического гало, мы должны отметить, что объекты, входящие в это население, движутся по вытянутым орбитам, подходя очень близко к ядру Галактики. Таковы, например, орбиты шарообразных звездных скоплений, каждое из которых как единое целое движется в нашей Галактике. Но как раз такими должны быть орбиты тел,

выброшенных из ядра галактик. Поэтому нет никаких оснований отрицать, что и звездное население сферического гало, состоящее из весьма старых звезд, было когда-то выброшено ядром нашей Галактики.

Наконец, облака частиц высоких энергий (релятивистская плазма) составляют в радиогалактиках тоже своеобразные подсистемы, которые, как мы уже говорили, возникают из ядра в результате взрыва.

Исходя из сказанного получаем картину возникновения различных частей каждой галактики, состоящей из ряда подсистем. Ядро галактики по временам выбрасывает из себя большие массы вещества, которые в зависимости от характера выброса составляют ту или иную подсистему — газовую или звездную.

Таким образом, ядро галактики в результате своей активности создает вокруг себя галактику. Согласно этой точке зрения, ядро является основным и решающим фактором в развитии галактики. Если это положение верно, то на каком-то начальном этапе развития галактики должно было бы существовать лишь одно ядро.

Поэтому кратко остановимся на природе ядра, на возможных формах его активности и на вопросе о возможности существования изолированных ядер.

ХРОНОС - ВСЕМИРНАЯ ИСТОРИЯ В ИНТЕРНЕТЕ

Редактор Вячеслав Румянцев

При цитировании давайте ссылку на ХРОНОС