2.1. Галактики

Основным элементом крупномасштабной структуры Метагалактики являются галактики и скопления галактик. Галактики представляют собой стационарные гравитационно-связанные звездные системы. Это гигантские скопления звезд и их систем, имеющие центр (ядро) и различную форму. Сама Галактика вращается вокруг своей центральной области. В ядре ее сосредоточены самые старые звезды, возраст которых приближается к возрасту галактики. Астрономические наблюдения показывают, что из ядер галактик происходит непрерывное истечение водорода. Таким образом, они являются фабриками по производству основного строительного материала Вселенной. Кроме этого ядра галактик проявляют свою активность в выбросах сгустков газа и облаков газа с массой в миллионы солнечных масс, а также в радиоизлучении из околоядерной области. Расстояние между звездами в ядре галактики (по космическим масштабам) очень маленькие. Звезды среднего и молодого возраста расположены в диске галактики. Расстояние между звездами на окраинах галактики значительно больше, чем в ее центре. Вопрос об образовании и строении галактик изучает не только космология, но и космогония (греч. гонейа – рождение) – область науки, в которой рассматриваются происхождение и развитие космических тел и их систем.

Изучение галактик началось с 1920 г., когда К. Лундмарк (1889-1958) смог выявить отдельные звезды в спиральной галактике М33 в созвездии Треугольника и, тем самым установить звездную природу галактик, а затем Э. Хаббл (1889-1953) получил тот же результат для спиральных рукавов туманности Андромеды и еще нескольких галактик.

Характеристики галактик

Галактики отличаются по форме:

S-галактики (спиралевидные) наряду со сферической звездной составляющей характеризуются наличием нескольких спиральных рукавов неправильной клочковатой структуры. В рукавах значительное количество молодых массивных звезд высокой светимости. Эти звезды непрерывно образуются из облаков межзвездной газопылевой среды. Половина галактик имеет спиральную форму (рис. 17).

Е-галактики (эллиптические) представляют собой сфероиды разной степени сплюснутости и с большой концентрацией яркости к центру (рис. 18). Среди эллипсоидов встречаются гиганты и карлики. Это наиболее простые по структуре галактики.

Рис. 17. Спиральная галактика

Линзообразные галактики (20%) – переходные между спиралевидными и эллиптическими галактиками.

Неправильные галактики (5%) характеризуются своей нерегулярной формой и сравнительно малой массой. Это молодые галактики, вещество которых находится в основном в форме газа и космической пыли. Количество звезд измеряется десятками и сотнями. Они не имеют центрального ядра. Наблюдаются вихревые движения газов и тенденция к вращению, которые, вероятно, ведут к образованию спиральных ветвей. Это Большое и Малое Магеллановы облака, являющиеся спутниками нашей Галактики. Они находятся недалеко от нас, на расстоянии, всего лишь в полтора раза большем ее диаметра. Магеллановы облака значительно меньше нашей Галактики по массе и размерам.

Рис. 18. Формы галактик

Взаимодействующие галактики имеют неправильную форму, они обычно двойные и между ними наблюдаются мосты и перемычки светлой и темной материи, иногда они как бы пронизывают одна другую.

Галактики отличаются по активности. Под «активностью» понимают большую совокупность совершенно различных и необычных явлений: выбросов из галактик огромных масс вещества (выбросы из ядра двух или нескольких объектов масштаба небольших галактик, выбросы газовых струй и релятивистской плазмы); истечений и излучений релятивистских частиц из ядер; взрывов, при которых выделяются чудовищные количества энергии; формирование радиогалактик и т.д. Некоторые галактики обладают исключительно мощным радиоизлучением, превосходящим видимое излучение. Это радиогалактики. Одна из них находится в созвездии Лебедя (Лебедь А). В отличие от нашей и других «нормальных» галактик Лебедь А излучает в радиодиапазоне энергии больше, чем в оптическом. «Активные» галактики, составляющие всего несколько процентов от общего их числа, могут излучать в миллионы раз больше энергии, чем «обычные».

Для активных галактик характерны два более или менее симметричных «радиооблака», т.е. протянувшиеся на миллионы световых лет облака плазмы (ионизированного газа), выбрасываемые из ядра галактики. Предполагается, что «в центре источника генерирующего излучающую в радиодиапазоне плазму, находится черная дыра массой в миллиард солнечных. Черная дыра окружена тороидальным аккреционным диском, состоящим из газа и пыли. Выбросы могут иметь как обращенную, так и зеркальную симметрию; первое объясняется прецессией источника выбросов (круговым движением оси вращения источника), второе – либо обращением галактики с выбросами вокруг тяготеющей массы, например, другой галактики, либо движением межгалактического газа со скоростью несколько тысяч км/с, «сдувающего» выбросы в сторону. На фотографиях шаровой галактики в созвездии Центавра четко выделяются огромные облака темной пылевой материи, которые как бы разделяют галактику на две части.

Галактики имеют склонность образовывать группы и скопления различной численности. Это свойство у них выражено намного сильнее, чем у звезд. Большинство галактик являются членами групп или скоплений, и только незначительная часть (около 10%) располагаются в общем объеме Метагалактики. Скопления насчитывают сотни и даже тысячи членов. Одно из самых больших находится в созвездии Волосы Вероники (около 10 тыс. галактик). Оно имеет почти сферическую форму радиусом примерно 4 Мпк. Расстояния между членами звездного скопления огромны по сравнению с размерами звезд. А расстояния между членами скопления галактик всего в несколько раз больше, чем их размеры. В этом и заключается особенность их структуры.

Галактика «Млечный путь»

Наша галактика называется Млечный Путь (греч. galakticos – молочный, млечный) – обширная звездная система, содержащая до 200 млрд звезд (рис. 19). Кроме звезд она включает межзвездную среду, в том числе магнитные поля, частицы высоких энергий (космические лучи) и состоит из ядра и нескольких спиральных рукавов. Ее размеры – 100 тыс. световых лет. Большая часть звезд нашей галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет.

Галактика имеет плоскость симметрии, которая называется галактической, и ось симметрии (ось вращения галактики). В галактической плоскости находятся типичные для спиральных галактик крупномасштабные образования – спиральные рукава (сейчас их насчитывают 4). В них сосредоточены все горячие звезды высокой светимости и большая часть газопылевой материи. В сечении галактика имеет вид летящей тарелки. Скорость ее вращения оставляет примерно 200 км/с. Звезды могут менять свои положения в Галактике, покидая рукава и возвращаясь в них через какое-то время.

Рис. 19. Галактика Млечный путь

Солнце расположено в галактической плоскости на расстоянии около 10 килопарсек (30 световых лет) от галактического центра на внутреннем крае рукава, носящего название рукав Ориона. Солнце вращается вокруг галактического центра по почти круговой орбите со скоростью 220 км/с и совершает полный оборот за 226 млн лет. Это так называемый галактический год. Помимо кругового движения по орбите, Солнечная система совершает вертикальные колебания относительно галактической плоскости, пересекая ее каждые 30-35 млн лет и оказываясь то на северном, то в южном галактическом полушарии.

Месторасположение Солнечной системы в галактике, вероятно, является фактором эволюции жизни на Земле. Ее орбита практически круглая; скорость примерно равна скорости спиральных рукавов, это означает, что она проходит сквозь них чрезвычайно редко. Солнечная система также находится на значительном расстоянии от переполненных звездами окрестностей галактического центра. Около центра гравитационные воздействия соседних звезд могли возмутить объекты облака Оорта и направить множество комет во внутреннюю Солнечную систему, вызвав столкновение с катастрофическими последствиями для жизни на Земле.

Земля ориентирована в Галактике так, что ее Южное полушарие обращено к центру галактики, а Северное – к ее краю (прил. 6).

Наша галактика входит в состав группы, состоящей примерно из 30 членов. Ближайшая из них (до которой световой луч бежит 2 млн лет) – «Туманность Андромеды» (рис. 20).

Рис. 20. Туманность Андромеды

Квазары

Квазары (англ. quasar, сокращенно от quasi-stellar radiosource – квазизвездный источник радиоизлучения) – космические объекты чрезвычайно малых угловых размеров, имеющие колоссальные красные смещения линий в спектрах, что указывает на их большую отдаленность от Солнечной системы, достигающих несколько тысяч мегапарсек. В настоящее время установлено, что максимум 10% квазаров соответствуют выше данному определению, остальные 90% не излучают сильных радиоволн. Такие объекты получили название радиоспокойных квазаров.

Последние наблюдения показали, что большинство квазаров находятся вблизи центров огромных эллиптических галактик. Очень сложно определить точное число обнаруженных на сегодняшний день квазаров. В 2005 г. группа астрономов использовала в своем исследовании данные о 195 000 квазаров.

Основные характеристики

Квазары – сверхплотные компактные объекты. Масса его может составлять от сотни миллиардов до триллиона солнечных масс, а диаметр – несколько световых недель или месяцев. Такой объект мог бы катастрофически сжиматься под действием тяготения, но поскольку полный момент количества движения здесь сохраняется, то сжатие сопровождается все убыстряющимся вращением объекта вокруг своей оси, в результате чего мощные центробежные силы препятствуют гравитационному коллапсу и превращению объекта в черную дыру.

Квазары – мощные источники излучения. Они излучают в десятки раз больше энергии, чем самые мощные галактики. Самый яркий квазар, имеющий обозначение 3С 273, виден как звезда. В действительности этот квазар находится от нас на расстоянии около 3 млрд световых лет и излучающий больше энергии в оптическом диапазоне, чем самые яркие галактики. Светимость этого квазара в 5000 раз превосходит светимость галактики в Андромеде. Кроме того, этот квазар оказался одним из самых мощных источников рентгеновского излучения. Полагают, что источником излучения является аккреционный диск сверхмассивной черной дыры, находящейся в центре галактики (прил. 8).

Было предположено, что квазары представляют собой ядра новых галактик, и стало быть процесс их образования продолжается и поныне.

Квазары – маяки Вселенной. Они видны с огромных расстояний, по ним исследуют структуру и эволюцию Вселенной.