Галактики

На прошлом уроке мы с вами познакомились со строением нашей Галактики, которую часто именуют Млечным Путём. Давайте вспомним, что Галактика — это гравитационно-связанная система, имеющая форму диска и состоящая из сотен миллиардов звёзд и межзвёздной среды.

Как мы помним, в нашей звёздной системе по некоторым оценкам находится около 400 миллиардов звёзд и ярких туманностей. Из числа этих объектов в состав Галактики не входит лишь слабо заметное туманное пятно, видимое в созвездии Андромеды и напоминающее по форме пламя свечи.

В 1924 году Эдвин Хаббл с помощью 100-дюймового телескопа обсерватории Маунт-Вилсон обнаружил, что туманность Андромеды находится от нас на расстоянии более двух миллионов световых лет и представляет собой систему из огромного числа звёзд. Тогда астрономы предположили, что различные небесные объекты, считавшиеся до этого спиральными туманностями, могут быть огромными скоплениями звёзд. Эти объекты стали называть «островными вселенными» или «звёздными островами». Но позже, когда стало понятно, что эти объекты похожи на нашу Галактику, оба термина перестали использоваться и были заменены на термин «галактика».

Под галактиками мы с вами будем понимать гигантские гравитационно-связанные системы звёзд и межзвёздного вещества, расположенные вне нашей Галактики.

Интересно, что к началу 90-х годов прошлого века астрономам было известно всего около 30 галактик. Однако 24 апреля 1990 года на орбиту Земли был выведен космический телескоп «Хаббл», с помощью которого были обнаружены миллионы новых галактик. И хотя их точное количество во Вселенной до сих пор не известно, но, по всей видимости, их порядка двух триллионов.

Исследования показали, что у большинства известных галактик диаметр колеблется от 5 до 250 килопарсек. Но есть среди них и супергиганты, как, например, эта галактика IC 1101. Её диаметр примерно равен 6 млн св. лет. IC 1101 в 2000 раз крупнее Млечного Пути и в почти в 60 раз массивнее.

Вообще же, мир галактик поражает своим разнообразием. Они резко различаются размерами, числом входящих в них звёзд, светимостями и внешним видом. Но, несмотря на исключительное многообразие внешнего вида, большинство галактик всё же можно объединить в несколько основных типов: эллиптические, линзовидные, спиральные и неправильные галактики.

Эллиптические галактики — это класс галактик с хорошо выраженной сферической или эллипсовидной структурой. Основная масса звёзд располагается вблизи центра галактики и плавно убывает к краю. Эллиптические галактики построены из звёзд красных и жёлтых гигантов, красных и жёлтых карликов и некоторого количества белых звёзд не очень высокой светимости.

В таких галактиках вы не найдёте бело-голубых гигантов и сверхгигантов, а также пылевой материи. Поэтому внешне эллиптические галактики отличаются друг от друга в основном одной чертой — большим или меньшим сжатием (то есть эксцентриситетом). В связи с этим Эдвин Хаббл предложил к буквенному обозначению галактики добавлять цифру от 0 до 7, которая характеризует эксцентриситет эллипса. Однако не стоит забывать, что число характеризует не реальную форму галактики, а лишь её проекцию на небесную сферу. То есть некоторые галактики с хаббловским типом Е0 в действительности являются вытянутыми.

В 1966 году исследования спектров галактик Е4—Е7 показали, что их звёздные диски вращаются. Из этого следовало, что такие галактики являются неправильно классифицированными линзовидными галактиками с дисками, наклонёнными под разными углами к нашему лучу зрения.

Линзовидные галактики — это дисковые галактики, которые потратили или потеряли свой межзвёздный газ. Поэтому частота формирования звёзд в них понижена. В результате линзовидные галактики состоят в основном из очень старых звёзд.

Одним из основных типов галактик являются спиральные галактики. На их долю приходится около 55 % от общего числа всех изученных галактик Вселенной. Они представляют собой сильно сплюснутые системы с центральным уплотнением — балджем. Балдж имеет сходство с эллиптической галактикой, содержащей множество старых звёзд и нередко сверхмассивную чёрную дыру в центре. Диск спиральной галактики окружён большим сферическим гало, состоящим в основном из старых звёзд, которые сосредоточенны в шаровых скоплениях.

Спиральные галактики названы так, потому что имеют внутри диска яркие рукава звёздного происхождения, которые почти логарифмически простираются из балджа. Спиральные рукава представляют собой области активного звёздообразования и состоят по большей части из молодых горячих звёзд. Абсолютное большинство наблюдаемых спиральных галактик вращается в сторону закручивания спиральных ветвей.

В зависимости от того, насколько плотно расположены рукава галактики, к её обозначению добавляются малые латинские буквы от а до d.

Многие (в среднем две из трёх) спиральные галактики имеют в центре перемычку («бар»), от концов которой отходят спиральные рукава, тогда как в обычных спиральных галактиках они выходят непосредственно из ядра. Такие галактики стали называть спиральными галактиками с перемычкой.

В своей классификации Эдвин Хаббл типизировал такие галактики как тип SB и подразделил их на три подкатегории — в зависимости от того, насколько плотно скручены спиральные ветви. Наша Галактика Наша Галактика, как демонстрируют наблюдения в инфракрасном диапазоне на космическом телескопе Спитцера также относится к спиральным галактикам с перемычкой.

Как мы говорили на прошлом уроке, Солнце расположено между спиральными рукавами Галактики и делает оборот вокруг центра Галактики в точности за то же время, что и спиральные рукава. Как следствие, оно не пересекает области активного звёздообразования, в которых часто вспыхивают сверхновые звёзды — источники губительного для жизни излучения.

Крупнейшей открытой на текущий момент спиральной галактикой является NGC 6872, общая протяжённость которой в 5 раз больше, чем диаметр Млечного Пути (522 тысячи световых лет).

Ещё один тип галактик — это неправильные галактики, которые не вписываются в последовательность Хаббла. Они не обнаруживают ни спиральной, ни эллиптической структуры и чаще всего имеют хаотичную форму без ярко выраженного ядра и спиральных ветвей. Но в них очень много межзвёздного газа — до 50 % от массы галактики. Поэтому в таких галактиках очень много молодых звёзд высокой светимости и областей ионизированного водорода. В процентном отношении составляют одну четверть от всех галактик.

Расстояния до ближайших галактик определяют по оценкам видимых звёздных величин цефеид:

Но для далёких галактик этот метод, как правило, не работает. Однако ещё в 1912—1914 гг. американский астроном Весто Слайфер обратил внимание на то, что линии в спектрах далёких галактик смещены относительно их нормального положения в сторону красного конца спектра. В соответствии с эффектом Доплера это означало, что галактики удалялись от Солнечной системы с огромными скоростями (до 1000 км/с).

В 1929 году Эдвин Хаббл определил расстояния до некоторых галактик и их скорости. Из его наблюдений следовало, что чем дальше от нас находится галактика, тем с большей скоростью она удаляется. При этом между этими величинами существует весьма простая линейная зависимость, которая получила название закона Хаббла.

Однако в современных работах наблюдателей эта зависимость принимает вид:

В записанной формуле с — это скорость света, z — красное смещение, а Н — это постоянная Хаббла. Она показывает, на сколько километров в секунду возрастает скорость галактик с увеличением расстояния до них на 1 Мпк.

Постоянная Хаббла не является постоянной как таковой. То есть её значение изменяется со временем. Но термин «постоянная» оправдан тем, что в каждый данный момент времени во всех точках Вселенной постоянная Хаббла одинакова и, по оценкам на 2016 год, примерно равна 66,93 ± 0,62 (км/с)/Мпк. Таким образом, в современную эпоху две галактики, разделённые расстоянием в 1 Мпк, в среднем разлетаются со скоростью около 67 км/с.

С помощью закона Хаббла по известному красному смещению можно с достаточно большой точностью определить расстояние до наиболее далёких объектов во Вселенной.

Интересно, что благодаря этому закону в 1999 году Стивен Филлипс из Бристольского университета открыл новый тип ультракомпактных карликовых галактик.

Ультракомпактные карликовые галактики — это класс очень компактных галактик с крайне высокой плотностью звёздного населения. Предполагается, что их размеры составляют всего порядка двухсот (200) световых лет в поперечнике. Но в них располагаются около сотни миллионов звёзд.

В 2018 году в центре ультракомпактной карликовой галактики UCD3 была найдена сверхмассивная чёрная дыра, масса которой более чем в 3,3 млн больше массы нашего Солнца, или 4 % массы всей галактики. А это очень много для такого маленького образования (для сравнения, чёрная дыра в центре нашей галактики имеет почти ту же массу, но при этом масса галактики в сто раз больше). Это натолкнуло учёных на мысль, ультракомпактные карликовые галактики — это остатки обычных карликовых галактик, внешняя оболочка которых была захвачена приливным взаимодействием более массивной галактики, когда-то пролетевшей мимо.

Известно, что большинство наблюдаемых галактик, подобно звёздам группируются в скопления, которые принято делить на правильные (регулярные) и неправильные (иррегулярные).

Например в созвездии Волосы Вероники находится правильное скопление, состоящее из нескольких десятков тысяч галактик. Примером же неправильного скопления галактик может служить гигантское скопление Пандоры (Abell 2744).

Иногда концентрация галактик в скоплениях бывает так велика, что они могут взаимодействовать друг с другом силами гравитации, которые вызывают значительные изменения формы галактик. Такие галактики принято называть взаимодействующими.

Наша Галактика также является взаимодействующей. Например сейчас она поглощает карликовую галактику, находящуюся на противоположной от нас стороне галактического диска. Через пару миллиардов лет она «скушает» Магеллановы Облака. А через 4 миллиарда лет сама станет обедом для галактики Андромеды. По разным оценкам поглощение будет длиться от одного до двух миллиардов лет. После чего две галактики превратятся в одну гигантскую звёздную систему.

Изучение ядер различных галактик показало, что в некоторых из них выделяется колоссальное количество энергии, которое нельзя объяснить излучением или взрывами обычных звёзд. Такие галактики стали называть активными или галактиками с активными ядрами.

Такие галактики подразделяются на: сейфертовские, радиогалактики, лацертиды и квазары.

В настоящее время принято считать, что в центре активной галактики находится массивный компактный объект, скорее всего — чёрная дыра, которая и является причиной повышенной интенсивности излучения, особенно в рентгеновском диапазоне.

Наиболее примечательными среди активных галактик являются квазары, открытые 1960 году Алланом Сандэйжом и Томасом Мэттьюсом.  Квазары — класс астрономических объектов, являющихся одними из самых ярких в видимой Вселенной.

По современным представлениям, квазары являются активными ядрами галактик на начальном этапе развития, в которых сверхмассивная чёрная дыра, поглощающая окружающее вещество, формируя, тем самым, аккреционный диск. Он и является источником исключительно мощного излучения. Так, например, в январе 2019 года было объявлено об обнаружении квазара, яркость которого в 600 трлн раз превышает солнечную.

Квазары называют маяками Вселенной, так как они видны с огромных расстояний. По ним исследуют структуру и эволюцию Вселенной, определяют распределение вещества на луче зрения.