Строение и жизнь Вселенной. Эволюция галактик

На данный момент удовлетворительной теории возникновения и эволюции галактик не существует. Есть несколько конкурирующих гипотез, объясняющих это явление, но каждая имеет свои серьёзные проблемы. Согласно инфляционной гипотезе, после возникновения первых звёзд во Вселенной начался процесс гравитационного объединения их в скопления и далее в галактики. В последнее время эта теория поставлена под сомнение. Современные телескопы способны «заглянуть» так далеко, что видят объекты, существовавшие приблизительно через 400 тыс. лет после Большого взрыва. Обнаружилось, что и на тот момент уже существовали вполне сформировавшиеся галактики. Предполагается, что между возникновением первых звёзд и вышеуказанным периодом развития Вселенной прошло слишком мало времени, и согласно теории Большого взрыва, галактики сформироваться просто не успели бы.

Другая распространенная гипотеза заключается в том, что в вакууме постоянно происходят квантовые флуктуации. Происходили они и в самом начале существования Вселенной, когда шёл процесс инфляционного расширения Вселенной, расширения со сверхсветовой скоростью. Это значит, что расширялись и сами квантовые флуктуации, причем до размеров, возможно, во много-много раз превышающих свой начальный размер. Те из них, которые существовали в момент прекращения инфляции, остались «раздутыми» и таким образом оказались первыми тяготеющими неоднородностями во Вселенной. Получается, что у материи было порядка 400 тыс. лет на гравитационное сжатие вокруг этих неоднородностей и образование газовых туманностей. А далее начался процесс возникновения звёзд и превращения туманностей в галактики.

Астрономы связывают образование звезд с конденсацией в межзвездной среде диффузной разряженной газово-пылевой среды. В 1939 году было установлено, что источником звездной энергии является происходящий в недрах звезд термоядерный синтез. В их недрах четыре протона соединяются через ряд промежуточных этапов в одну альфачастицу (ядро гелия). Ежегодно в Галактике "умирает" по меньшей мере одна звезда, так как у нее иссякает запас ядерного топлива. Значит, для того, чтобы звездное племя не выродилось, необходимо, чтобы столько же звезд образовывалось в нашей Галактике. Для того, чтобы в течении длительного времени Галактика сохраняла неизменным распределение звезд по классам светимости, температуры, в т.ч. по спектральным классам, необходимо, чтобы в ней автоматически поддерживалось динамическое равновесие межу рождающимися и гибнущими звездами. В Галактике время жизни звезды с массой меньше солнечной больше, чем более крупной звезды, так как термоядерные процессы при большем давлении и более высокой температуре идут быстрее. Чем больше масса звезды, тем меньше она существует как звезда – тем меньше она живет.

Современная астрономия располагает большим количеством аргументов в пользу образования звезд путем конденсации облаков газово-пылевой межзвездной среды. Поэтому количество звезд в рукавах галактик больше, чем в межрукавных пространствах, да и свечение звезд в рукавах более яркое, там нередко происходят вспышки сверхновых звезд. Предполагается, что вспышка сверхновой связана с тем, что на ней начинает "гореть" гелий, в результате термоядерного синтеза из ядер гелия образуются ядра углерода. При гелиевой реакции термоядерной энергии выделяется больше, чем при водородной. Такая звезда буквально взрывается, сбрасывая с себя часть атмосферы, состоящую из водорода.

Чтобы пройти самую раннюю стадию эволюции, протозвездам нужно сравнительно немного времени. Если, например, масса протозвезды больше солнечной, нужно всего лишь несколько миллионов лет, а если меньше, то несколько сотен миллионов лет. Так как время эволюции протозвезд сравнительно невелико, эту самую раннюю фазу развития звезд обнаружить очень трудно. На этой первой стадии эволюции протозвезда собирает газообразный водород и пыль из галактических облаков, отчего масса ее увеличивается, водородная атмосфера становится все более мощной, давление в нижнем слое атмосферы протозвезды растет. Наконец, давление атмосферы и ее температура на протозвезде становятся такими, что начинается термоядерная реакция синтеза гелия из водорода. В этот момент протозвезда превращается в звезду. Она перестает сжиматься, хотя и продолжает захватывать водород из галактических облаков. Ее объем и излучение поддерживается термоядерными реакциями, идущими в нижних областях атмосферы.

Время равновесного свечения звезды определяется ее первоначальной массой и поступлением водорода из окружающего пространства. Если поступление водорода на звезду увеличивается, то она разгорается ярче, если поток водорода снижается, то свечение звезды уменьшается вплоть до полного прекращения, при этом звезда затухает. Но если поступление водорода снова увеличивается, то звезда может вспыхнуть вновь, в ее атмосфере снова идет синтез гелия, который накапливается в нижних слоях атмосферы звезды. Если ядер гелия накопится очень много, то давление и температура в нижнем слое гелиевой атмосферы достигнут такой величины, что начнется синтез ядер углерода из ядер гелия. При этом энергии выделится столько, что произойдет взрыв, переход звезды с водородного топлива на гелиевое вызовет вспышку сверхновой. При этом значительное количество водорода быдет выброшено в окружающее пространство. Вокруг гелиевой звезды образуется сферическое облако – пузырь, в центре которого будет излучать энергию яркая гелиевая звезда.

Выгорание водорода происходит, а приток его ослабляется, так как звезда попадает в межрукавное пространство галактики. Рано или поздно при недостаточном поступлении извне водород на звезде почти весь выгорит, вернее, его останется еще много, но давление и температура в зоне термоядерной реакции снизится, и реакция прекратится. В этом случае звезда попросту потухнет. Остывающая атмосфера при этом начнет сжиматься под действием сил гравитации, не уравновешенных выделением тепловой энергии. При сжатии температура оставшегося водорода и гелия будет повышаться, образуется очень плотная горячая область, состоящая из гелия с небольшой примесью более тяжелых элементов. В этой плотной горячей области ядерные реакции происходить не будут, но они будут довольно интенсивно протекать на периферии ядра звезды – в сравнительно тонком слое. Светимость звезды и ее размеры снова начнут расти. Звезда при этом как бы разбухнет и начнет превращаться в красного гиганта.

После того как температура сжимающегося плотного гелиевого ядра звезды красного гиганта достигнет 100–150 млн. градусов Кельвина, там начнет идти новая ядерная реакция: образование ядра углерода из трех ядер гелия. Как только начнется эта реакция, сжатие атмосферы звезды снова прекратится.

При взрыве звезда сбрасывает значительную часть своей атмосферы; этот процесс называется образованием планетарных туманностей. Когда отделится наружная оболочка звезды, обнажаются ее внутренние, очень горячие слои. При этом сброшенная оболочка будет расширятся, все дальше и дальше улетая от звезды. Такие явления обнаружены в Космосе и запечатлены на фотографиях.

Мощное ультрафиолетовое излучение звезды – ядра планетарной туманности будет ионизировать атомы в сброшенной оболочке, возбуждая их свечение. Спектр этого свечения связан с атомарным составом планетарной туманности. Через несколько десятков тысяч лет оболочка вокруг звезды рассеется, и останется только небольшая очень горячая плотная звезда. Постепенно, медленно остывая, она превратится в белого карлика, а тот в конце концов станет чёрным карликом – суперпланетой с очень высокой плотностью. Чёрные карлики – это "мертвые", остывшие тела очень большой плотности, они в миллионы раз плотнее воды. Их размеры могут быть меньше размеров земного шара, хотя массы их сравнимы с солнечной массой. Процесс остывания белых карликов длится многие сотни миллионов лет. Так, по-видимому, умирает большинство звезд.

Таким образом, белые карлики как бы вызревают внутри звезд красных гигантов и появляются на свет после отделения наружных слоев атмосферы гигантских красных звезд. В других случаях сбрасывание наружных слоев может происходить не путем образования планетарных туманностей, а путем постепенного истечения атомов. Так или иначе белые карлики, в которых ядерные реакции синтеза гелия из водорода прекратились, светят за счет реакции синтеза углерода из гелия. Белые карлики постепенно снижают свечение по мере израсходования запасов гелия и переходят в состояние невидимых черных карликов. Дело в том, что в пространстве галактик гелиевые звезды не могут пополнить запас своего ядерного топлива – гелия. Там его просто нет или есть очень и очень мало.

Процесс образования звезд из межзвездной газово-пылевой среды происходил и в нашей Галактике, он происходит непрерывно.

В процессе эволюции звезда возвращает в межзвездное пространство значительную часть своей массы, сначала в виде излучения и звездного ветра из горячей плазмы, а затем в результате образования планетной туманности. Из материи, в том числе из плазмы и газа, выброшенного звездой, в Космосе снова будут образовываться новые молодые звезды, которые в свою очередь будут проходить те же стадии развития и превращаться в черных карликов. Одним словом, через звезды в галактиках осуществляется круговорот материи – вещества и энергии.

К проблеме эволюции галактик ученые начали серьезно подходить в середине 40-х годов ХХ века. Эти годы ознаменовались рядом важных открытий в звездной астрономии. Удалось выяснить, что среди звездных скоплений, рассеянных и шаровых, имеются молодые и старые, и ученые даже смогли оценить их возраст. Нужно было произвести своеобразную перепись населения в галактиках разных типов и сравнить результаты. В каких галактиках (эллиптических или спиральных), в каких классах галактик преобладают более молодые или более старые звезды. Такое исследование дало бы ясное указание на направление эволюции галактик, позволило бы выяснить эволюционный смысл классификации галактик Хаббла.

Но прежде астрономам надо было выяснить численное соотношение между разными типами галактик. Непосредственное изучение фотографий, полученных в обсерватории Маунт Вилсон, позволило Хабблу получить следующие результаты: эллиптических галактик – 23%, спиральных – 59%, спиральных с перемычкой (баром) – 15%, неправильных – 3%. Однако в 1948 г. астроном Ю.И. Ефремов обработал данные каталога галактик Шепли и Эймса и пришел к следующим выводам: эллиптические галактики в среднем на 4 звездные величины слабее спиральных по абсолютной величине. Среди них много галактик карликов. Если учесть это обстоятельство и сделать пересчет количества галактик в единице объема, то окажется, что эллиптических галактик примерно в 100 раз больше чем спиральных.

Большая часть спиральных галактик – это галактики гиганты, большинство эллиптических галактик – галактики карлики. Конечно, среди тех и других существует некий разброс в размерах, имеются эллиптические галактики гиганты и спиральные карлики, но тех и других очень мало.

В 1947 году Х. Шепли обратил внимание на то, что количество ярких сверхгигантов постепенно убывает по мере перехода от неправильных галактик к спиральным, а затем к эллиптическим. Получалось, что молодыми являлись именно неправильные галактики и галактики с сильно разветвленными ветвями. Шепли тогда же высказал мысль, что переход галактик из одного класса в другой происходит необязательно. Возможно, что галактики образовались все такими, какими мы их наблюдаем, а потом лишь медленно эволюционировали в направлении сглаживания и округления их форм. Однонаправленного изменения галактик, вероятно, не происходит.

Х. Шепли обратил внимание еще на одно важное обстоятельство. Двойные галактики – это не результат столкновения и захвата одной галактики другой. Нередко в таких парах сосуществуют спиральные галактики с эллиптическими. Такие галактические пары, по всей вероятности, вместе и возникли. В этом случае допустить, что они прошли существенно разный путь развития, нельзя.

В 1949 году Б.В. Кукаркин обратил внимание на существования не только парных галактик, но и скоплений галактик. Между тем, возраст скопления галактик, судя по данным небесной механики, не может превышать 10–12 млрд. лет. Таким образом, получалось, что в Метагалактике практически одновременно образовались галактики разных форм. Значит, переход каждой галактики за время ее существования из одного типа в другой совсем необязателен.

Создавая свою гипотезу, А.И. Лебединский исходил из следующих основных предположений: 1 – галактики образовались из разреженного диффузного вещества, заполнявшего (и заполняющего) Метагалактику; 2 – галактики возникали неодновременно, так что некоторые из них образовывались, когда другие уже существовали; 3 – условия в метагалактическом пространстве в период формирования галактик мало отличались от современных. Массу газа, из которой образовалась галактика, А.И. Лебединский назвал протогалактикой. Он полагал, что до начала сжатия состояние протогалактики было квазистатическим, то есть почти неизменным. Потом какие-то постепенные количественные изменения состояния протогалактики (например, увеличение плотности) привели к тому, что она начала сжиматься. Этому могли способствовать и потери энергии молекул газа при соударении с твердыми пылинками.

Дальше сжатие протогалактики происходит почти по Джинсу: первоначально сферическая туманность вращается и сплющивается, а сжимаясь, начинает вращаться все быстрее, что приводит к ее уплощению, притом ничем не ограниченному. Но протогалактика – это вовсе не эллиптическая туманность, так как в ней нет звезд, и мы не можем ее заметить.

Но вот на некоторой стадии сжатия и уплощения в протогалактике возникают сгущения, сначала большие, в тысячи световых лет диаметром, потом все более и более мелкие. Самые большие дадут потом начало звездным облакам, меньшие – звездным скоплениям, еще меньшие – звездам. Образование звезд происходит путем гравитационной конденсации. Звезды появляются в наиболее уплощенных спиральных галактиках. Спиральные ветви возникают потому, что в сильно уплощенных системах это энергетически выгодно. При малом уплощении – таком, как у эллиптических галактик, – формирование спиралей и звезд невозможно.

Эта теория объяснила многие проблемы – такие, как образование межзвездных магнитных полей и магнитных полей около звезд, процессы ускорения заряженных частиц, образование сложных элементов структуры. Космогоническая концепция А.И. Лебединского и Л.Э. Гуревича явилась важным этапом в развитии космогонии галактик, но и в ней есть слабые стороны. Во-первых, в ней постулировалось существование никем не наблюдавшихся (ни раньше, ни потом) протогалактик. Во-вторых, авторы гипотезы не дали объяснения спиральной структуре галактик, ограничившись замечанием об энергетической выгодности этой структуры. Обсуждение этого вопроса А.И. Лебединский обещал провести во второй части своей работы. Увы, ни он, не Л.Э. Гуревич так и не сделали этого, и вторая часть работы не была опубликована.

Работу над этой проблемой продолжил в 1958 году ленинградский теоретик Т.А. Агекян. Изучив эволюцию вращающихся систем взаимно притягивающихся тел, имеющих форму фигур равновесия, Т.А. Агекян учел возможность их диссипации, то есть покидания системы отдельными звездами.

Все гипотезы, пытающиеся объяснить происхождение галактик, в качестве аксиомы используют теорию Большого Взрыва, в результате которого образовалась Вселенная. Согласно этой теории, вся Вселенная образовалась в результате взрыва: вначале сформировался горячий "газ" из элементарных частиц, который, охлаждаясь при расширении Вселенной, образовывал структуры: атомные ядра, атомы, молекулы; облака этого газа потом сжимались под действием гравитации в галактики и звезды. На то, что из такой гипотезы Большого Взрыва следуют абсурдные выводы о конечности Вселенной, почему-то не обращают особого внимания. Похоже, что эта гипотеза, которую поспешили назвать теорией, просто ослепила умы большинства астрономов и астрофизиков.

Итак, что говорит гипотеза Большого взрыва. Во время эры излучения (согласно этой гипотезе, вначале был свет!) продолжалось стремительное расширение космической материи, состоящей из фотонов, среди которых встречались свободные протоны и электроны, и крайне редко – альфа частицы. Фотонов было в миллиард раз больше, чем протонов и электронов. В период эры излучения протоны и электроны в основном оставались без изменений, уменьшалась только их скорость. С фотонами дело обстояло намного сложнее. Хотя скорость их осталась прежней, в течении эры излучения гамма-фотоны постепенно превращались в фотоны рентгеновские, ультрафиолетовые и фотоны света. Вещество и фотоны к концу этой эры остыли настолько, что к каждому протону мог присоединится один электрон. При этом происходило излучение одного ультрафиолетового фотона или же нескольких фотонов видимого света. Так образовывался атом водорода и так возникла водородная Вселенная. Это была первая система частиц во Вселенной. С возникновением атомов водорода началась звездная эра – эра протонов и электронов.

Далее Вселенная вступила в звездную эру в форме водородного газа с огромным количеством световых и ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ расширялся в различных частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была и его плотность. Он образовывал огромные сгустки – во много миллионов световых лет. Масса таких космических водородных сгустков была в сотни тысяч, а то и в миллионы раз больше, чем масса нашей теперешней Галактики. Расширение газа внутри сгустков шло медленнее, чем расширение разреженного водорода между самими сгущениями. Позднее из отдельных участков с помощью собственного притяжения образовались сверхгалактики и скопления галактик. Таким образом, крупнейшие структурные единицы Вселенной – сверхгалактики – являются результатом неравномерного распределения водорода, которое происходило на ранних этапах истории Вселенной.

Колоссальные водородные сгущения – это зародыши скоплений галактик: они, согласно гипотезе, медленно вращались. Внутри них образовывались вихри, похожие на водовороты. Диаметр этих космических вихрей достигал примерно ста тысяч световых лет. Так образовались системы – протогалактики, т.е. зародыши галактик. Несмотря на свои невероятные размеры, вихри протогалактик были всего лишь ничтожной частью сверхгалактик и по размеру не превышали одну тысячную долю сверхгалактики. Сила гравитации образовывала из этих вихрей системы звезд, которые мы и называем галактиками.

Под действием силы тяготения вращающийся вихрь сжимался в шар или (от вращения) в несколько сплюснутый эллипсоид. Размеры такого правильного гигантского водородного облака были от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч световых лет. Если энергия сил гравитации, удерживавшей атом в протогалактике, на ее периферии превышала его кинетическую энергию, атом становился составной частью галактики, если нет, то покидал ее. Это условие называется критерием Джинса. С его помощью можно определить, в какой степени масса и величена протогалактики зависит от плотности и температуры водородного газа. Чем холоднее было облако, тем большее количество атомов оставалось в нем.

Протогалактика, которая не вращалась, становилась родоначальницей шаровой галактики. Сплющенные эллиптические галактики рождались из медленно вращающихся протогалактик. Из-за недостаточной центробежной силы в них преобладала сила гравитационная. Протогалактика сжималась, и плотность водорода в ней возрастала. Как только плотность достигала определенного уровня, начинали выделяться и сжиматься сгустки атомов водорода, из которых рождались протозвезды, которые позже эволюционировали в звезды. Рождение всех звезд в шаровой или слегка приплюснутой галактике происходило почти одновременно. Этот процесс продолжается относительно недолго, примерно сто миллионов лет. Это значит, что в эллиптических галактиках все звезды приблизительно одинакового возраста и очень старые. В эллиптических галактиках весь водород был исчерпан сразу же в самом начале звездообразования. На протяжении последующего времени звезды в эллиптических галактиках уже не могли возникать. Таким образом, в эллиптических галактиках количество межзвездного вещества должно быть ничтожно.

Спиральные галактики, согласно гипотезе Большого Взрыва, состоят из старой сферической составляющей (которая похожа на эллиптические галактики) и из более молодой плоской составляющей, в которую входят спиральные рукава. Между этими составляющими существует несколько переходных компонентов разного уровня сплюснутости, разного возраста и скорости вращения. Спиральные галактики вращаются значительно быстрее, чем галактики эллиптические, так как они образовались из быстро вращающихся вихрей в ранней Вселенной. Поэтому в создании спиральных галактик участвовали и гравитационная, и центробежная силы.

На каждый атом межзвездного газа действовали две силы – гравитация, притягивающая его к центру галактики, и центробежная сила, выталкивающая его по направлению от оси вращения. В конечном итоге газ сжимался по направлению к галактической плоскости. В настоящее время межзвездный газ сконцентрирован в галактической плоскости в весьма тонкий слой. Он сосредоточен прежде всего в спиральных рукавах и представляет собой плоскую, или промежуточную составляющую, названную "звездным населением второго типа". На каждом этапе сплющивания межзвездного газа во все более утончающемся диске рождались звезды.

Эта теория-гипотеза, на первый взгляд, выглядит весьма убедительно, особенно когда подкреплена изрядным колическтвом математических формул. Но дьявол, как водится, скрывается не в формулах, а в исходных допущениях, принимаемых в качестве аксиом. А одна из аксиом заключается в бездоказательном признании за факт предположения о том, что газовое облако начнет вращаться само по себе, и при этом еще сжиматься по направлению к центру. Гравитационное взаимодействие атомов водорода между собой так ничтожно, что они могут "слипнуться" в комок только при абсолютном нуле градусов Кельвина – т.е. при полном прекращении теплового движения. Для того, чтобы газ водород начал сжиматься, нужен мощный источник гравитации.

Необходимо пояснить значение термина «секуляризация». В первом приближении, секуляризазия – это отделение (разделение), приобретение независимости. Термин «секуляризация» был впервые использованв 1646 г. Лонгвилем во время переговоров, предшествовавших заключению Вестфальского мира, и означал возможность удовлетворения интересов победителей за счет конфискации монастырских владений. Секуляризация (отнятие) церковного имущества практиковалась европейскими монархами, а в России довольно широко использовалось Петром I и Екатериной II.

В XVII в. началась секуляризация науки от религии, был сформулирован принцип разделенности разума и веры, светского и духовного начал. Независимость светского начала наглядно проявляется не только в политической, научной мысли той эпохи, но и в этике, которую начинают рассматривать как светскую, а не религиозную науку. До сих пор с переменным успехом идет борьба за то, чтобы на деле отделить церковь от государства, а школу от церкви.

Эллиптические галактики, в отличие от спиральных, всегда считались однокомпонентными звездными системами. Все звезды эллиптической галактики вроде бы похожи друг на друга, имеют одинаковый возраст, одинаковую металличность и распределены в трехмерной сфероидальной структуре, которая в проекции на плоскость неба может иметь отношение видимых осей от 1 : 1 до 1 : 3. Вращается большинство эллиптических галактик медленно (по сравнению с дисковыми галактиками). Звезды в таких галактиках движутся хаотически, как пылинки в воздухе, когда нет ветра. Это доказывает высокая дисперсия их скоростей и направлений движения. Однако в последнее время обнаружились любопытные вещи.

В 1988 г. в некоторых эллиптических галактиках были обнаружены кинематически выделенные ядра, которые вращались значительно быстрее, чем вся галактика. В подавляющем большинстве эллиптических галактик умеренной светимости были зафиксированы «дискообразные» изофоты вокруг центральной части. Д. Бёрстейн по этому поводу сказал: «Внутри абсолютно всех эллиптических галактик есть маленькие диски». Обнаруженные в центрах эллиптических галактик диски выделяются и по их химическому составу – в них больше тяжелых атомов.

В пяти ближайших галактиках обнаружили внутренние полярные кольца из ионизованного газа: здесь в пределах нескольких сотен парсек от центра галактик газ вращается в плоскости, вообще перпендикулярной плоскости вращения звезд. Это совершенно неожиданное открытие.

По всей вероятности, шаровидные галактики – это самые молодые галактики. В них чёрная дыра в центре вращается еще очень медленно и она не увлекла в круговое движение окружающий ее газ и пыль, возможно оттого, что масса этой чёрной дыры недостаточно большая..

По мере того как центральное тяжелое ядро (черная дыра) в шаровидной галактике вбирает в себя пыль и водород, оно (она) начинает вращаться все быстрее и быстрее, увлекая в это вращение и все шарообразное облако, отчего облако начинает сплющиваться. При достижении критической массы чёрная дыра начинает выбрасывать фрагментарии – сгустки сверхплотного вещества, которые по инерции улетают от центра галактики и задерживаются на орбите вокруг него. При этом фрагментарии, обладая высокой гравитацией, собирают на себя часть газа и пыли из галактических рукавов. Некоторые из фрагментариев при этом становятся чёрными дырами, так как их масса и плотность очень велики. Другие становятся звездами, третьи – планетами и спутниками планет.

Представления о путях образования и эволюции галактик кардинально изменились за последние 20 лет. Астрономы и астрофизики поняли, что скорее всего, галактики «образуются», то есть формируются и меняют структуру на протяжении всей своей жизни. Прежде они считали, что галактики сначала образуются, а потом эволюционируют. Почему же так изменилась парадигма?

Пока астрономы не спеша наблюдали и изучали галактики, космологи из теоретических соображений пришли к выводу, что всю гравитацию и, следовательно, динамическую эволюцию Вселенной определяет небарионная холодная темная материя, которая начинает «кучковаться» под действием гравитационной неустойчивости, то есть распадаться на маленькие сгустки, которые потом сливаются в большие, затем в очень большие и так далее... А барионная фракция (газ, в основном водород), масса которой всего 10%, обязана следовать за темной материей и тоже фрагментировать и сливаться, сливаться, сливаться... Звезды же образуются «попутно», в процессе слияний структур. Таким образом, из недр космологических умозаключений вышла иерархическая концепция формирования галактик.

Ранние работы космологов утверждали, что первыми родились маленькие спиральные галактики, а гигантские эллиптические появились последними – не более 5 млрд. лет назад, в результате слияния малых спиральных галактик. В первый миллиард лет жизни Вселенной, образовавшейся в результате Большого Взрыва, могли образовываться галактики с массой не более 10 в 8-й степени М¤, в первые 6 млрд. лет жизни Вселенной образовались галактики с массой не более 10 в 10-й степени М¤, а все более массивные образовались еще раньше. Но наблюдатели с помощью новых гигантских телескопов нашли довольно много массивных галактик, с массой звездного вещества больше 10 в 11-й степени М¤, образовавшихся много раньше 6 млрд. лет назад. Оказалось, что население гигантских эллиптических галактик, как в скоплениях, так и в разреженных окрестностях, сформировалось ~ 8 млрд. лет назад. После этого космологи стали менее категоричными, но иерархическая концепция формирования галактик по-прежнему продолжает господствовать.

Галактика продолжает эволюционировать постоянно и под действием неустойчивостей, как порождаемых извне, гравитационным взаимодействием с соседями, так и под действием внутренних 4 факторов, присущих даже совершенно изолированным галактикам. Такая «спокойная» эволюция галактик на протяжении всей их жизни получила название секулярной. Хотя она и спокойная, но тоже может приводить к весьма существенным изменениям структуры.

Рассмотрим подробно основные механизмы структурной эволюции галактик: внутренние – гравитационные неустойчивости тонких холодных дисков (как звездных, так и газовых); внешние – приливные взаимодействия (по своей природе тоже гравитационные), большие и малые слияния.

В моделях Д. Фридли и В. Бенца (1993, 1995) имеется любопытная особенность: газ может достигнуть центра галактики только если он изначально вращался так же, как и звезды. А если газ вращается в другую сторону, то в процессе стекания к центру галактики он выходит из плоскости диска и образует устойчивое наклонное кольцо.

При близком взаимодействии галактик в них возникают приливные структуры – «мосты», «хвосты», протяженные спиральные рукава, «вытягиваемые» гравитацией возмущающего объекта из диска галактики, вовлеченной во взаимодействие. Выяснилось также, что внешнее гравитационное воздействие преобразует не только внешние части галактик: во внутренних областях диска возникает бар. Но в конце концов весь газ упадет в центр галактики, и при этом последует мощная вспышка звездообразования.

Если газовое протогалактическое облако эволюционирует в одиночестве, то из него может образоваться только дисковая галактика, так как в этом случае галактике некуда девать лишний момент вращения газа. Это было одной из самых серьезных проблем для классических теорий формирования галактик путем «монолитного коллапса», которые развивались в 1970-е годы.

При малых слияниях на большую дисковую галактику падает маленькая галактика – спутник с массой, например, 10% от массы большой галактики. Расчеты показывают, что при падении, даже под углом к плоскости основного диска, спутник, после нескольких ударов о него, теряет вертикальную составляющую момента движения, оседает в плоскость большого диска и начинает «спиралить» к его центру. В течение примерно 1 млрд. лет он достигает центра хозяйской галактики, потеряв в пути меньшую часть своего собственного вещества. А что же галактика-спутник приносит в центр? Большую часть своих звезд и газа, если изначально он у нее был. Если же изначально в малой галактике газа не было, все равно в результате столкновения она сильно возмутила газовый диск большой галактики, отчего усилилась турбулентность, и, следовательно, увеличилась вязкость в глобальном газовом диске. Возрастание вязкости означает интенсивное перераспределение момента вращения и снова стремительные радиальные течения газа к центру. Малые слияния тоже должны приводить к концентрации газа в ядре галактики и к последующей вспышке звездообразования.

Механизмы секулярной эволюции галактик приводят к концентрации газа в их центрах и, как следствие, к вероятной вспышке звездообразования в этих центрах. Образовавшиеся вновь в центре галактики звезды, скорее всего, распределятся в компактном околоядерным звездном диске. И если мы хотим найти в близких к нам галактиках последствия их секулярной эволюции, разумнее всего поискать в центрах этих галактик компактные звездные диски, отличающиеся от окружения (балджа, например) более молодым возрастом и большим содержанием металлов, поскольку образовались они позже из хорошо проэволюционировавшего вещества. Но первые впечатляющие открытия околоядерных звездных дисков были сделаны в эллиптических галактиках там, где их найти никто не ожидал.

Численное моделирование показывает, что за время порядка миллиарда лет большая часть газа эволюционирующего изолированного галактического диска скапливается в его центре, в пределах радиуса около 1 кпк, при этом в центре возникают большие плотности, и в них происходит бурное звездообразование.

Ядра в галактиках выделяются и химически – по увеличенному содержанию тяжелых атомов (Сильченко О.К., Афанасьев В.Л., Власюк В.В. Астрономический журнал, 1992, т. 69, с. 1121). В 7 из 12 изученных этими авторами галактик были обнаружены химически выделенные ядра. Среди этих галактик с химически выделенными ядрами была одна эллиптическая, три линзовидных и три спиральных галактики. Позже этим же авторам удалось обнаружить несколько десятков галактик с химически выделенными ядрами. Разница в средних возрастах ядер в галактиках в плотном и в разреженном окружении может быть объяснена тем, что в плотном окружении ядерная вспышка звездообразования протекала более эффективно и закончилась в более короткие сроки, чем в ядрах изолированных галактик.

Все механизмы секулярной эволюции галактик приводят к «стеканию» газа в центр галактики. А вот однозначно ли из этого следует вспышка звездообразования в центре галактики? Д. Фридли и В. Бенц (1993) отвечают: нет, только если газ изначально вращался в ту же сторону, что и звезды. А если газ «контрвращался», то есть вращался навстречу звездам, то он в процессе стекания к центру выходит из плоскости галактики и стабилизируется во вращающемся, сильно наклоненном околоядерном кольце, не добираясь до самого центра галактики.

Все динамические процессы перестройки галактик приводят к концентрации газа в их центре. Исследуя центральные области близких галактик, даже с помощью относительно скромных наблюдательных средств, которые пока еще доступны российским астрономам, можно восстановить полную эволюционную историю видимой материи во Вселенной и сказать, правы ли космологи, соорудившие такую красивую, но пока не вполне подтвержденную схему, как иерархическая концепция формирования галактик.

В.А. Амбарцумян и его ученики показали, что звездообразование в галактиках продолжается и в наше время. Поэтому спиральные и неправильные галактики могут изобиловать молодыми звездами не потому, что эти галактики сами молоды, а потому, что в них имеются условия для звездообразования, тогда как в эллиптических галактиках они отсутствуют.

Б.В. Кукаркин заметил, что ни в одной эллиптической галактике, даже наиболее сжатой, не обнаружено сконцентрированного в экваториальной плоскости межзвездного диффузного вещества. Обнаруженные в них диффузные включения концентрируются к центру этих галактик. Наоборот, все спиральные галактики богаты сконцентрированным в экваториальной плоскости межзвездным диффузным веществом, которое особенно четко заметно, когда галактика видна с ребра.

Спиральные галактики бывают разные: большие и поменьше, а бывают и совсем маленькие (по космическим масштабам). Одни из них относительно нас, наблюдателей, закручены вправо, другие – влево. В галактиках есть ядра, рукава и межрукавные пространства. Состоят галактики из массивных космических тел – звезд, планет и чёрных дыр, а также облаков газа и пыли.

Кольцеобразная галактика – объект Хоага. На этой фотографии видно несколько галактик, находящихся значительно дальше объекта Хоага. Фото с сайта: http://kapuchin.livejournal.com/191347.html

Ядро этой галактики скоро перестанет получать водород из пространства Метагалактики. Весь водород теперь перехватывает газо-пылевое кольцо, "напичканное" звездами, планетами и вторичными чёрными дырами.

В 1950 г. Арт Хоаг обнаружил необычный внегалактический объект. В его внешней части находится кольцо, в котором преобладают яркие голубые звезды, а в центре находится шар из белых и желтых звезд. Между ними – пробел, который выглядит почти полностью темным. Объект Хоага имеет диаметр около 100 000 световых лет и находится от нас на расстоянии около 600 миллионов световых лет за созвездием Змеи. Сейчас обнаружено несколько подобных объектов, они считаются одной из форм кольцеобразных галактик. Причиной их появления могло быть столкновение галактик и возмущающее гравитационное воздействие на обычную спиральную галактику ядра с необычной формой и необычными свойствами. Фотография слева получена космическим телескопом Хаббл в 2001 г. (R. Lucas. Hubble Heritage Team, NASA).

Можно предположить, что вначале эта галактика развивалась по обычному сценарию: чёрная дыра собрала вокруг себя огромное газовое облако, раскрутила его в спирали, затем из нее стали выбрасываться сгустки сверхплотного вещества – фрагментарии, которые вышли в конце концов на орбиту вокруг чёрноё дыры – центра Галактики. Но на каком-то этапе активность ядра этой галактики резко снизилась. Чёрная дыра в центре ее продолжала поглощать вещество, которое, прежде чем упасть в эту дыру и стать невидимым, излучает свет. А вот внешние рукава под действием притяжения "успокоившегося" ядра галактики образовали кольцо, в котором все еще видны следы былой спиральной структуры. По всей вероятности, это кольцо не падает на ядро потому, что очень быстро вращается вокруг ядра. Точнее, вращаются звезды и фрагментарии, входящие в состав этого кольца, а газ и пыль, связанные гравитацией этих звезд, тоже вращаются вместе с ними, отчего и не падают на ядро галактики. По всей вероятности, кольцевые галактики находятся в тех частях Метагалактики, в которых концентрация газа и пыли чрезвычайно низкая.

За созвездием Центавра в 12 миллионах световых лет от нас находится линзообразная галактика Центавр А (NGC 5128). После Магеллановых облаков, галактики Андромеда и галактики Треугольника это самая яркая из видимых нами галактик. Если бы мы могли воспринимать радиоизлучение, то эта галактика была бы видна нам в виде двух огромных образований – джетов, исходящих из ее центра.

Галактика Центавр А (NGC 5128) в видимой части спектра. Фото с сайта: http://ru.wikipedia.org

Галактика Центавр А (NGC 5128) в видимой, рентгеновской и радио частях спектра электромагнитных излучений. Фото с сайта: http://www.astronet.ru/db/msg/1225526

Центральная область галактики Центавр A окружена смесью молодых голубых звездных скоплений, гигантских облаков газа и внушительных темных пылевых прожилок. Эти фотографии получены в натуральном цвете в ренгентовских лучах и радио диапазоне на космическом телескопе Хаббл. Инфракрасные изображения с Хаббловского телескопа позволили увидеть в центре этой галактики диски вещества, которое, двигаясь вдоль спиральных траекторий, падает на черную дыру. Центавр A, по-видимому, является продуктом столкновения двух галактик, вещество которых интенсивно "заглатывается" чёрной дырой. Падая на эту дыру, прежде чем "исчезнуть" в ней, вещество излучает огромные джеты квантов рентгеновского излучения. Астрономы считают, что именно такие центральные черные дыры служат источниками жесткого излучения. Мощный джет, выбрасываемый из активного ядра галактики вверх и чуть налево, растянулся примерно на 13 тысяч световых лет. Более короткий выброс выходит из ядра в противоположном направлении. Вероятно, активная галактика Центавр A возникла в результате слияния со спиральной менее активной галактикой около 100 миллионов лет назад.

Линзообразная галактика 509px-Ngc5866.Она видна нам с ребра. Фото с сайта: http://ru.wikipedia.org/wiki/

Астрофизики говорят, что "экзотические" по современным стандартам черные дыры есть практически во всех галактиках, а вот с "обычными" черными дырами почему-то в астрофизике "напряженка".

Считается, что черные дыры с низкой массой формируются, когда массивные звезды достигают конечного этапа своей эволюции и во время взрыва по типу сверхновой выбрасывают в окружающее пространство большинство вещества, из которого они состоят. А оставшееся после них плотное и компактное остывающее ядро постепенно превращается в черную дыру.

Исследователи предполагают также, что в нашей Вселенной существует несколько миллионов таких черных дыр с низкой массой. Практически в каждой галактики можно обнаружить такие небольшие черные дыры, а порой даже несколько одновременно. Однако обнаружить их сложно, так как они не излучают никакого света, никаких электромагнитных колебаний, никаких потоков частиц. Именно поэтому большинство черных дыр до сих пор остаются ненайденными.

Однако в последние годы астрономы сделали довольно большой прогресс в этой области. С помощью специальных научных инструментов и особых методик им удается обнаруживать все больше и больше черных дыр в нашей Галактике (пока, в основном, в двойных звездных системах).

Для обнаружения обычной черной дыры в галактике "Центавр А" астрономы использовали рентгеновский диапазон орбитального телескопа Чандра.

На фотографии слева видна галактика, состоящая из разреженного газа, плотность которого увеличивается по направлению к ее центру. Но у этой галактики, видимой нами в профиль, имеется тонкий диск, который состоит из темного непрозрачного вещества. Скорее всего, этот диск состоит из фрагментариев, выброшенных быстро вращающимся сверхплотным ядром (чёрной дырой) галактики. Эти фрагментарии не смогли сформировать водородные атмосферы и стать звездами, поэтому и видны как темные тела. Неплохо было бы взглянуть на эту галактику в фас.

Заключение

В залючение следует подвести итог всего выше изложенного в виде некоего обобщающего вывода, выражающего суть моей гипотезы о структуре и динамике галактик. В начале постулируем, что Вселенная вечна и бесконечна, что вещество ее может находиться не только в привычном для нас виде светящегося или светлого вещества, состоящего из квантов, элементарных частиц, атомов, молекул, облаков газа и пыли, астероидов, планет и звезд, но и в сверхплотном состоянии, которое не очень удачно назвали чёрными дырами. Чёрные дыры – это не точки в пространстве, куда исчезает материя, это – темные, несветящиеся и не отражающие падающий на них свет тела сферической формы. Эти тела должны очень быстро вращаться, и чем они массивнее, тем быстрее вращаются, сплющиваясь на полюсах. Сила тяжести на поверхности этих черных "волчков" такова, что упавшее на них вещество теряет свою структуру и сжимается до плотности ядра атома, а может быть, даже больше. По всей вероятности, кинетическая и тепловая энергия упавшего на такое тело вещества превращается в энергию вращения этого сверхплотного тела, называемого черной дырой.

Когда энергия вращения достигает некоего предела, гравитация чёрной дыры уже не в состоянии удержать вещество, и оно начинает отрываться на экваторе и, словно ядро, пущенное из чудовищной пращи, летит от чёрной дыры прочь. Такие ядра (назовем их «фрагментарии») сверхплотного вещества забрасываются на галактические орбиты в соответствии со своей массой и количеством движения, которое получили в момент отрыва от чёрной дыры.

В центре спиральных галактик находятся сверхплотные объекты, выбрасывающие сгустки сверхплотного вещества –- фрагментарии. Выброшенные из ядра галактики (точнее, из чёрных дыр в ядре) сгустки сверхплотного вещества в собственном гравитационном поле приобретают форму шаров. Но собственной гравитации у этих тел не хватает для того, чтобы удерживать вещество в состоянии прежней плотности, какой оно было в чёрной дыре. Происходит разуплотнение вещества в этих телах, отчего объем их увеличивается, а из протонов и нейтронов сверхплотного сгустка при его разуплотнении, возможно, образуются тяжелые ядра химических элементов. Дальнейшее разуплотнение вещества приводит к тому, что вокруг ядер атомов образуются электронные оболочки и они становятся атомами тяжелых металлов.

На этой стадии эволюции космические сверхплотные тела (фрагментарии) формируют свои внешние оболочки из газа и пыли, захватывая их из галактических облаков, через которые пролетают и в которые погружаются, будучи выброшены из ядра галактики – из чёрной дыры, находящейся в ее центре. Массивные фрагментарии формируют вокруг себя мощные атмосферы из водорода и в дальнейшем становятся звездами, когда в их глубинах начинаются термоядерные реакции синтеза ядер гелия из ядер водорода. Некоторые особенно массивные фрагментарии, двигаясь от центра галактики к ее периферии, так и остаются малыми черными дырами – черными дырами второго порядка. Они тоже собирают водород и пыль из галактических облаков, но гравитация их так велика, что эти газ и пыль, падая на эти вторичные черные дыры, превращаются в сверхплотное вещество и оптически как бы "исчезают в этих дырах". Фрагментарии поменьше вторичных черных дыр немного разуплотняются и становятся ядрами будущих нейтронных звезд, третьи – разуплотняются сильнее и становятся ядрами обычных желтых звезд, четвертые – с меньшей изначальной массой и, следовательно, меньшей гравитацией – не могут удерживать очень большие атмосферы, они становятся не звездами, а планетами. Как увидим в дальнейшем, ядра у всех планет и больших шарообразных спутников планет тяжелые, металлические – железные, как утверждают планетологи.

Таким образом, согласно моей гипотезе, звезды и планеты действительно захватывали своей гравитацией облака газа и пыли из рукавов галактик, но сами по себе эти облака не превращались ни в звезды, ни в планеты и их спутники. Изначальными источником гравитации, организующими газ и пыль Космоса в звезды и планеты, является сверхплотное вещество, выброшенное из чёрных дыр в центрах галактик – фрагментарии. Изначальная масса этих сгустков сверхплотного вещества своим количеством несет информацию о том, будет ли формирующееся космическое тело чёрной дырой второго порядка, нейтронной звездой, желтой звездой или планетой. Двигаясь в галактике, космические тела гравитационно взаимодействуют друг с другом и образуют гравитационные системы: двойные и тройные звезды, планетные системы вокруг звезд, планетные системы из центральной массивной планеты и ее спутников.

Во всяком случае, в ядрах всех шарообразных космических объектов находится или находилось в начальный момент их существования сверхплотное вещество, которое и создало поле тяготения. Неправильную (нешарообразную) форму имеют космические тела, образованные не из сверхплотного, а из обычного вещества, в результате полного или частичного разрушения планет и их спутников. Сверхплотное вещество в лабораторных условиях получить невозможно, поэтому мы можем только догадываться о его свойствах, сравнивая между собой космические тела разной массы и разной формы, "плавающие" в пространстве галактик.

Есть существенное отличие данного сценария хаотической инфляции от старой гипотезы создания всей Вселенной в некий нулевой момент времени (Большой Взрыв) в виде практически однородной и нагретой до бесконечно больших температур материи в виде самых элементарных частиц и квантов вакуума-эфира. В новой модели более не требуется условие изначальной однородности и термодинамического равновесия. Каждая часть Вселенной может иметь свое сингулярное начало (Borde et al, 2001). Однако это не означает, что вся Вселенная как целое возникла одномоментно из одной сингулярности. Различные части вселенной могли возникать в разные моменты времени и потом разрастаться. Это означает, что мы более не вправе говорить, что вся вселенная родилась в некий момент времени t=0, до которого ее не существовало.

Материя Вселенной может принимать разные формы: 1 – вещество разной плотности, 2 – излучение, 3 – вакуум-эфир и 4 – сингулярность (сверхплотное вещество). Плотность у вещества бывает разная (в г/куб. см): нейтронные звезды 1014, белые карлики 106, солнце 1,4, красные сверхгиганты 5/100 000 000, у галактик и Метагалактики в целом плотность на много порядков меньше, чем у красных сверхгигантов (http://www.astronet.ru/db/msg/1202878). Некоторая часть материи Метагалактики находится в форме излучения и элементарных частиц, плотность этой "лучистой" материи составляет менее 1/1000 от плотности вещества в Метагалактике. Но значительная часть материи находится в состоянии сингулярности, т.е. чёрных дыр.

При написании данной странички была также использована информация с сайтов:

1. Википедия. Адрес доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/

2. Сайт "Astronet". Адрес доступа: http://www.astronet.ru/db/msg/1225526

3. Сильченко О.К. Эволюция центральных областей галактик. Адрес доступа: http://lib.tr200.net/v.php?id=94040&sp=1&fs=18; http://ziv.telescopes.ru

Строение и жизнь Вселенной

А.В. Галанин © 2012

Глава 2. Эволюция галактик и звезд в галактиках

При написании данной странички была также использована информация с сайтов: