Журнал «Вокруг Света» №03 за 2007 год
Шрифт:
Эдвин Хаббл (18891953) — первооткрыватель расширения Вселенной, автор первой классификации галактик
Камертон Хаббла
Классификацию галактик по их морфологии Эдвин Хаббл предложил в 1936 году. На левом конце этой последовательности расположены эллиптические галактики — сфероидальные системы разной степени сплюснутости. Далее она тянется к плоским спиральным галактикам, выстроенным в порядке уменьшения степени закрутки их спиральных ветвей и массы их сферической подсистемы — балджа. Отдельно стоят неправильные галактики, вроде двух самых заметных спутников Млечного Пути, видимых на небе Южного полушария, — Большого и Малого Магеллановых Облаков. При переходе к спиральным галактикам хаббловская последовательность раздваивается, давая начало самостоятельной ветви спиральных галактик с перемычками, или барами, — гигантскими звездными образованиями, пересекающими
Результаты проекта Millenium Simulation. Моделировалось движение 10 млрд материальных точек на протяжении 13 млрд лет. На верхнем кадре каждое яркое пятнышко соответствует галактике
По мере накопления наблюдательного материала стало ясно, что внешний вид галактик тесно связан с их внутренними свойствами — массой, светимостью, структурой звездных подсистем, типами населяющих галактику звезд, количеством газа и пыли, скоростью рождения звезд и др. Казалось, отсюда всего полшага до разгадки происхождения галактик различных типов — все дело в начальных условиях. Если первоначальное протогалактическое газовое облако практически не вращалось, то в результате сферически-симметричного сжатия под действием сил тяготения из него образовывалась эллиптическая галактика. В случае вращения сжатие в направлении, перпендикулярном оси, останавливалось благодаря тому, что тяготение уравновешивалось возросшими центробежными силами. Это приводило к формированию плоских систем — спиральных галактик. Считалось, что сформировавшиеся галактики в дальнейшем не испытывают никаких глобальных потрясений, в одиночестве производя на свет звезды и неспешно старея и краснея по цвету за счет их эволюции. В 5060-х годах прошлого века считалось, что в этом описанном сценарии так называемого монолитного коллапса остается уточнить лишь некоторые детали. Но как только взаимодействие галактик было признано двигателем их эволюции, эта упрощенная картина стала неактуальной.
Секстет Сейферта. Четыре сливающиеся галактики плюс приливный выброс из одной из них (справа внизу) и далекая спиральная галактика (в центре)
Два в одном
Проблема предсказания движения большого числа массивных точек, взаимодействующих по закону всемирного тяготения, получила в физике название задачи N тел. Решить ее можно только методом численного моделирования. Задав массы и положения тел в начальный момент, можно по закону тяготения вычислить действующие на них силы. Полагая эти силы неизменными в течение короткого отрезка времени, легко рассчитать новое положение всех тел по формуле равноускоренного движения. А повторяя эту процедуру тысячи и миллионы раз, можно смоделировать эволюцию всей системы.
В галактике вроде нашей более ста миллиардов звезд. Напрямую рассчитать их взаимодействие не под силу даже современным суперкомпьютерам. Приходится прибегать к разного рода упрощениям и ухищрениям. Например, можно представлять галактику не реальным числом звезд, а таким, какое может осилить компьютер. В 1970-х годах брали всего по 200500 точек на галактику. Но расчет эволюции таких систем приводил к нереалистичным результатам. Поэтому все эти годы шла борьба за увеличение числа тел. Сейчас обычно берут по нескольку миллионов звезд на галактику, хотя в отдельных случаях при моделировании зарождения первых структур во Вселенной используют до десяти миллиардов точек.
Другое упрощение состоит в приближенном расчете взаимного притяжения тел. Так как сила тяготения быстро убывает с расстоянием, притяжение каждой далекой звезды не обязательно вычислять слишком точно. Далекие объекты можно сгруппировать, заменив одной точкой суммарной массы. Эта методика получила название TREE CODE (от англ. tree— дерево, поскольку группы звезд собираются в сложную иерархическую структуру). Сейчас это самый популярный подход, многократно ускоряющий вычисления.
Столкновение галактик NGC 2207 и IC 2163 продолжается уже 40 миллионов лет. В будущем их ждет полное слияние
Но и на этом астрономы не успокоились. Они даже разработали специальный процессор GRAPE, который не умеет делать ничего, кроме расчета взаимного гравитационного притяжения N тел, но зато с этой задачей справляется чрезвычайно быстро!
Численное решение задачи N тел подтвердило идею Тумре о том, что две спиральные галактики при столкновении могут слиться в один объект, весьма похожий на эллиптическую галактику. Интересно, что совсем незадолго до получения этого результата известный астроном Жерар де Вокулер на симпозиуме Международного астрономического союза скептически заявлял: «После столкновения вы получите искореженный автомобиль, а не новый тип автомобиля». Но в мире взаимодействующих галактик два столкнувшихся автомобиля, как это ни странно, превращаются в лимузин.
Последствия слияния галактик оказываются еще более поразительными, если учесть наличие у них газовой составляющей. В отличие от звездной составляющей газ может терять кинетическую энергию: она переходит в тепло, а потом в излучение. При слиянии двух спиральных галактик это приводит к тому, что газ «стекает» к центру продукта слияния — мержера. Часть этого газа очень быстро превращается в молодые звезды, что приводит к феномену ультраярких инфракрасных источников.
Галактика Тележное Колесо (Cartwheel, слева) миллионы лет назад испытала удар, перпендикулярный плоскости диска. Его след — расширяющееся кольцо активного звездообразования. Инфракрасные наблюдения выявили подобное кольцо и в знаменитой Туманности Андромеды (M31, внизу)
Интересен также эффект от столкновения маленького «спутника» с большой спиральной галактикой. Последняя в итоге увеличивает толщину своего звездного диска. Статистика наблюдательных данных подтверждает результаты численных экспериментов: спиральные галактики, входящие в состав взаимодействующих систем, в среднем в 1,52 раза толще, чем одиночные. Если маленькая галактика умудряется «въехать» буквально в лоб крупной спиральной, перпендикулярно ее плоскости, то в диске возбуждаются расходящиеся кольцеобразные волны плотности, как от камня, брошенного в пруд. Вместе с обрывками спиральных ветвей между гребнями волн галактика становится похожей на тележное колесо. Именно так и называется один из уродцев мира галактик. Лобовые столкновения очень редки, тем более удивительно, что в спокойной галактике Туманность Андромеды обнаружены две такие волны. Об этом в октябре 2006 года сообщила команда астрономов, обрабатывающая наблюдения космического телескопа «Спитцер». Кольца хорошо видны в инфракрасном диапазоне в той области, где излучает пыль, связанная с газовым диском. Компьютерное моделирование показало, что причиной необычной морфологии нашей ближайшей соседки является ее столкновение с галактикой-спутником M32, который около 200 миллионов лет назад пронзил ее насквозь.
Судьба самих спутников галактик более печальна. Приливные силы, в конце концов, буквально размазывают их по орбите. В 1994 году в созвездии Стрельца был обнаружен необычного вида карликовый спутник Млечного Пути. Частично разрушенный приливными силами нашей Галактики, он вытянулся в длинную ленту, состоящую из движущихся групп звезд протяженностью на небе около 70 градусов, или 100 тысяч световых лет! Кстати, карликовая галактика в Стрельце теперь числится ближайшим спутником нашей Галактики, отняв это звание у Магеллановых Облаков. До нее всего около 50 тысяч световых лет. Другая гигантская звездная петля обнаружена в 1998 году вокруг спиральной галактики NGC 5907. Численные эксперименты очень хорошо воспроизводят такие структуры.
Модель столкновения спиральных галактик. Третий кадр очень напоминает галактики Мышки (Т — время в миллионах лет)
Охота на темную материю
Еще в начале 1970-х годов появились серьезные доводы в пользу того, что галактики помимо звезд и газа содержат так называемые темные гало. Теоретические аргументы следовали из соображений устойчивости звездных дисков спиральных галактик, наблюдательные — из больших, не спадающих к краю скоростей вращения газа на далекой периферии галактических дисков (звезд там уже почти нет, и поэтому скорость вращения определяют по наблюдениям газа). Если бы вся масса галактики содержалась преимущественно в звездах, то орбитальные скорости газовых облаков, расположенных за пределами звездного диска, становились бы с расстоянием все меньше и меньше. Именно это наблюдается у планет в Солнечной системе, где масса в основном сосредоточена в Солнце. В галактиках это зачастую не так, что указывает на наличие какого-то дополнительного, массивного, а главное — протяженного компонента, в чьем гравитационном поле газовые облака приобретают большие скорости.