703 (Мир Галактик (Галактики и звездные системы)), страница 2

Спиральные галактики не выглядели бы особенно интересными без своей спиральной структуры - без нее они бы, разумеется, не были спиральными Галактиками, но все обстоит еще хитрее. Если спиральная галактика образуется потому, что вращение заставляет газ коллапсировать на плоскость, то спиральная форма рукавов кажется естественным результатом - вроде узора, образуемого сливками, которые наливают при помешивании в чашку кофе, или вроде воды, уходящей через сток. Эти ситуации не являются строгими аналогами галактики, но хорошо иллюстрируют закономерность: где есть вращение, там обычно бывает и спиральная структура. Поэтому на протяжении многих лет астрономов особенно не беспокоила спиральная форма многих галактик - она казалась совершенно естественной.

Первая серьезная трудность возникла, когда кому-то пришло в голову задать вопрос: как долго существует в галактике спиральный рукав? Известны периоды вращения галактик, типичные значения которых для звезд, расположенных на расстоянии от ядра, эквивалентном расстоянию Солнца до центра Галактики, составляют несколько сотен миллионов лет. Известны возрасты ближайших галактик - около 10 миллиардов лет. Если спиральная структура возникает из-за того, что внутренняя часть галактики вращается со скоростью, отличной от скорости внешней части, то рукава должны постепенно закрутиться в спиральный узор. Однако для галактики с возрастом, характерным для окружающих нас галактик, число оборотов узора должно быть очень большим - примерно равным возрасту, деленному на средний период вращения - около 100. У реальных спиральных галактик - по крайней мере у тех, что имеют четкие непрерывные спиральные ветви, наблюдается закрутка спирального узора лишь на один-два оборота. Встает вопрос: "замораживаются" ли спиральные рукава каким-то образом, что позволяет им сохраниться? Или же они закручиваются до исчезновения, чтобы смениться новыми? Или же есть для них возможность не участвовать в общем вращении звезд и газа, что позволяет им вращаться медленнее?

Проблема не в том, что мы не можем придумать, как создать спиральную структуру: любая "капля", вращающаяся, как галактика с различными периодами вращения на различных расстояниях от центра, создает спиральный узор. Проблема в том, как галактика приобретает спиральную форму, которая сохраняется. В настоящее время существует три типа ответов, и мы еще не знаем наверняка, какой же из них правильный. Возможно, что все являются правильными в том или ином случае, и спиральная структура даже одной индивидуальной галактики может иметь смешанное происхождение.

По-видимому, самым аккуратным и элегантным для спиральных галактик является объяснение, известное под названием теории волн плотности. После развития шведским астрономом Бертилом Линдбладом многих связанных с ней теоретических идей, теория волн плотности была полностью разработана и успешно применена в 60-х годах к галактикам Ц. Ц. Лином и его студентами в Массачусетсском технологическом институте. Они показали, используя математический анализ устойчивости плоского звездного диска, что отклонение от регулярной формы в начальном распределении газа может стать устойчивым и постепенно превратиться в двухрукавный спиральный узор, вращающийся значительно медленнее звезд. Входя в рукав, звезды на время замедляются, что приводит к повышенной плотности в рукаве, а потом продолжают движение за фронтом волны. На границе фронта должна возникать ударная волна в газе, которая может вызвать процесс звездообразования, и поэтому в некоторых галактиках наблюдается концентрация активных газовых облаков и новообразованных звезд в рукавах (см. рис. Галактики NGC1232). Форма спиральных рукавов в рамках этой гипотезы очень похожа на форму реальных спиральных рукавов в небольшом количестве галактик с "совершенной" спиральной структурой - таких, как М81. Однако она не подходит для описания более распространенного типа галактике чрезвычайно несовершенными рукавами - фрагментарными, размытыми и нечеткими.

Теория, лучше всего применимая в случае таких галактик опирается на действие весьма простых искажений любой структуры, вызываемых дифференциальным вращением галактики. Вместо наличия постоянно существующего набора рукавов эта гипотеза предсказывает непрерывное рождение и распад спиральных сегментов. Многие первооткрыватели в этой области считали, что такой метод может работать, нужно было лишь найти способ восстановления рукавов. В 1965 г. был создан компьютерный фильм, изображавший весь процесс в действии. В этом фильме в качестве модели использовалась галактика М31 в предположении случайного (стохастического) процесса возникновения областей звездообразования. При рождении такие области проявляют себя как яркие участки повышенной активности. Вперед дифференциальное вращение вытягивает их в длинные узкие сегменты спиральной формы, и эти области постепенно тускнеют по мере того, как расходуется сконцентрированный в них газ. Само собой, результатом является не совершенный двухрукавный спиральный узор, а скорее набор спиральных фрагментов, покрывающих галактику и придающих ей некоторое подобие спиральной формы, но с рукавами, которые нельзя проследить на протяжении более чем несколько десятков градусов.

Созданные в компьютерном фильме системы по форме напоминают многие спиральные галактики и поэтому вероятно, что в таких объектах преобладают стохастические процессы наподобие упомянутого выше. Это особенно верно для некоторых видов идеальных областей звездообразования, содержащих последовательность участков на разной стадии активности: спереди находится гигантское молекулярное облако, которое собирается конденсироваться в звездное скопление, за ним - газовое облако, освещенное и потерявшее часть газа из-за наличия в нем только что образовавшихся звезд, а за облаком - стареющее и медленно распадающееся звездное скопление, относительно свободное от газа. Эта последовательность областей имеет примерно линейную форму и будет вытянута дифференциальным вращением в сегмент спирального рукава. Результатом является спиральная галактика, образованная разрозненными фрагментами спиральных рукавов. Следовательно, стохастическая теория, кажется, в состоянии объяснить форму как раз тех галактик, которые не могут быть описаны теорией волн плотности. Таким образом, нам, может быть, не нужны другие идеи - нужно всего лишь терпение в проведении подробных измерений, необходимых для сравнения свойств спиральных рукавов с различными версиями каждой из теорий.

Существует, однако, еще одна возможность. Любое возмущение диска может приводить к скоплению газа, что будет проявляться в виде спиральных рукавов или спиральных сегментов. Возмущение может исходить извне или же изнутри - из собственного ядра галактики. (см. рис. выброса из галактики M87) Одна из возможностей первого типа состоит в том, что межзвездный газ может втекать в галактику, образуя спиральные рукава. Эта гипотеза не очень привлекательна, так как газ будет преимущественно со стороны полюсов, где нет достаточного количества другого газа для столкновения, и известно очень мало случаев, когда спиральные рукава не лежат в плоскости диска. Более привлекательным внешним агентом может быть приливное воздействие других галактик при близких прохождениях. Приливы, порождаемые близкими прохождениями, почти столкновениями - воздействуют на звезды и газ и могут исказить форму галактики в достаточной степени для возникновения неправильных образований, которые в ходе вращения приобретут спиральную форму. Это красивая идея, но ее недостаток - в необходимости близкого прохождения другой галактики. К сожалению, расстояния между галактиками слишком велики, чтобы этот механизм мог быть эффективным в большинстве случаев. Однако в том, что касается прохождений галактик вблизи друг друга, нас могут ожидать сюрпризы. Недавние определения темпов звездообразования показывают. что в близко расположенных друг к другу галактиках темп звездообразования аномально велик - особенно в ядрах. Может быть, окажется, что приливные эффекты включаются гораздо легче, чем мы сейчас думаем.

Н ет убедительных свидетельств в пользу возникновения спиральных рукавов в результате активности в ядрах галактик, но в этих таинственных и бурных областях происходит достаточно событий, чтобы появилась подобная гипотеза. В радиогалактиках и квазарах - наблюдаются очень высокоэнергетические процессы в ядрах галактик, многие из которых выбрасывают огромные потоки газа даже за видимые пределы галактики (см. рис. выброса из галактики M87). Возможно, активность этого типа может каким-то образом приводить к образованию спиральных рукавов, но в настоящее время эта гипотеза весьма расплывчата и не подкрепляется разумной физической моделью.

У многих спиральных галактик есть еще одна замечательная структурная особенность, обычно некоторым образом связанная со спиральными рукавами: большая концентрация звезд в форме бруска (бара), пересекающая ядро и простирающаяся симметричным образом в обе стороны. Данные измерений скоростей в них показывают, что бары вращаются вокруг ядра как твердые тела, хотя, разумеется, они на самом деле состоят из отдельных звезд и газа. Бары, встречающиеся в галактиках SO или Sa, более ровные и состоят исключительно из звезд, в то время как бары в галактиках типов Sb, Sc и Irr часто содержат много газа и пыли. Все еще идут споры о движениях газа в этих барах. Некоторые данные свидетельствуют о том, что газ течет наружу вдоль бара, а по другим данным, он течет внутрь. В любом случае, существование баров не удивляет астрономов, изучающих динамику галактик. Численные модели показывают, что неустойчивости в диске вращающейся галактики могут проявляться в форме бара, напоминающего наблюдаемые.

К неправильным галактикам Хаббл отнес все объекты, которые не удавалось причислить ни к эллиптическим, ни к спиральным.

Большинство неправильных галактик очень похожи друг на друга. Они чрезвычайно фрагментарны и в них можно различить отдельные наиболее яркие звезды и области горячего излучающего газа.

Некоторые неправильные галактики имеют хорошо заметный бар и у многих из них можно различить обрывки структуры, напоминающей фрагменты спиральных рукавов.

Характеристики неправильных галактик не являются совершенно иррегулярными. У них много общих черт, служащих указанием на причины хаотичности их видимой формы. Все эти галактики богаты газом и почти все содержат много молодых звезд и облаков светящегося ионизованного газа, часто исключительно больших и ярких. Ни одна из галактик не имеет центрального балджа или какого-нибудь реального ядра. Распределение яркости неправильных галактик в среднем падает при переходе от центра наружу по такому же математическому закону, как в спиральных галактиках. Многие из них имеют в центральных областях структуры типа бара - особенно хорошим примером является Большое Магелланово Облако.

Неправильная форма у галактики может быть в следствии

того, что она не успела принять правильной формы из-за малой плотности в ней материи или из-за молодого возраста. Есть и другая версия: галактика может стать неправильной в следствии искажения формы в результате взаимодействия с другой галактикой (см. рис. поврежденной галактики NGC6745).

Оба таких случая встречаются среди неправильных галактик, может быть, с этим связано разделение неправильных галактик на два подтипа.

Подтип I1 характеризуется сравнительно высокой поверхностной яркостью и сложностью неправильной структуры. Французский астроном Вокулер в некоторых галактиках этого подтипа обнаружил признаки разрушенной спиральной структуры. Кроме того, Вокулер заметил, что галактики этого подтипа часто встречаются парами. Существование одиночных галактик так же возможно. Объясняется это тем, что встреча с другой галактикой могла иметь место в прошлом, теперь галактики разошлись, но для того, чтобы принять снова правильную форму им требуется длительное время.

Другой подтип I2 отличается очень низкой поверхностной яркостью. Эта черта выделяет их среди галактик всех других типов. Галактики этого подтипа отличаются так же отсутствием ярко выраженной структурности.

Если галактика имеет очень низкую поверхностную яркость при обычных линейных размерах, то это означает, что в ней очень мала звёздная плотность, и, следовательно, очень малая плотность материи.

Важным намеком на то, как образуются неправильные галактики, являются результаты сравнения их светимостей со светимостями спиральных галактик. Почти все они значительно слабее даже наименее ярких спиральных галактик. Спиральная галактика М33, представляющая примерно нижнюю границу диапазона светимостей спиральных галактик, все еще ярче Большого Магелланова Облака - одной из ярчайших не правильных галактик. Итак, отсутствие спиральных рукавов у неправильных галактик, по-видимому, связано с их малостью. Возможно, это связано также с величиной углового момента галактики и интенсивностью турбулентных движений в ней. Плоскости неправильных галактик относительно толще, чем у спиральных; это позволяет предполагать, что вращение звезд и газа столь медленное, что спиральные рукава не возникают. С другой стороны, если вращение было бы слишком медленным, то галактика не сплющилась бы до плоскости - неважно, толстой или тонкой - и образовалась бы массивная карликовая эллиптическая галактика.

На самом деле мы не можем с уверенностью сказать, какова связь карликовых эллиптических и карликовых неправильных галактик. Согласно традиционным представлениям, звезды в эллиптических галактиках очень старые (их возраст 10 и более миллиардов лет), в то время как неправильные галактики содержат как старые, так и молодые звезды. Однако существуют некоторые свидетельства в пользу того, что в некоторых карликовых эллиптических галактиках - например, в карликовой галактике в созвездии Киля - еще 2-3 миллиарда лет назад происходил активный процесс звездообразования, и во время этих эпизодов они могли выглядеть, как карликовые неправильные галактики. Это важный вывод, так как динамические объяснения различий галактик этих двух типов придется отвергнуть в случае, если они могут свободно переходить из одного типа в другой и обратно.

Имеются также галактики, для которых характерно отсутствие ядра - утолщения, наблюдаемого в центральной части.