За вратами загадочнной Вселенной. Том 1
В связи с ростом этих облаков внутренние области становились более горячими и плотными, что стимулировало начало образования звезд и, в конечном итоге, формирование галактических структур.
Со временем эти первые галактики эволюционировали, подвергаясь столкновениям, слияниям и формированию новых звезд. Их структуры и формы изменились под воздействием гравитации и других процессов, создавая разнообразие галактических типов, которые мы видим сегодня в космосе.
Формирование галактик претерпело несколько этапов:
– Темные века. Между 380 000 и 500 000 лет после Большого Взрыва Вселенная достаточно охладилась, чтобы атомы водорода могли образоваться из свободных электронов и протонов. Это произошло благодаря процессу, известному как рекомбинация20. Это событие также ознаменовало окончание «темных веков», когда Вселенная была непрозрачной из-за ионизации.
– Гравитационное притяжение. После завершения рекомбинации, атомы водорода стали основным компонентом Вселенной. Под действием гравитации эти атомы начали объединяться в небольшие сгустки материи, которые стали первыми галактиками. Эти сгустки были около 100 миллионов световых лет21 в диаметре и состояли из миллионов звезд.
– Формирование звезд. Со временем под действием гравитации эти сгустки стали сжиматься и образовывать звезды. Этот процесс называется звездообразованием. Они формировались в результате коллапса газовых облаков, которые «рождались» из сгустков материи.
– Эпоха реионизации22. В процессе формирования звезд некоторые из них были достаточно горячими и массивными, чтобы взорваться как сверхновые. Когда это происходило, они выбрасывали в пространство большое количество тяжелых элементов, таких как кислород, железо и кремний. Эти элементы были необходимы для формирования более поздних поколений звезд и галактик.
– Слияние галактик. Со временем галактики начали взаимодействовать друг с другом, сливаться и образовывать более крупные структуры. Этот процесс продолжается и по сей день, и результатом его является то разнообразие галактик, которое мы наблюдаем сегодня.
– Активное звездообразование. В некоторых галактиках, особенно в тех, которые имеют высокую плотность звезд и газа, продолжается активное образование звезд. Это происходит благодаря гравитационному притяжению, которое приводит к коллапсу23 газовых облаков и образованию новых звезд.
– Эволюция галактик. На протяжении миллиардов лет галактики эволюционировали, их звезды умирали, а на их месте образовывались новые. Этот процесс, известный как звездообразующий цикл, продолжается и сегодня, хотя и с меньшей интенсивностью, чем в прошлом.
В целом исследователи полагают, что количество галактик во Вселенной превышает два триллиона. При этом большинство галактик подпадают под четко определенные классификации и имеют либо спиральную форму, как Млечный путь, либо эллиптическую, линзообразную или неправильную форму. Рассмотрим типы галактик, которые встречаются на вселенских просторах.
– Спиральные галактики с выраженным центральным ядром, из которого выходят спиральные рукава. Они часто имеют диски, где формируются новые звезды.
Спиральные рукава являются одним из наиболее захватывающих явлений в галактических структурах. Эти длинные спиральные образования состоят из миллиардов звезд и звездных облаков, вращающихся вокруг центрального ядра галактики. Спиральные рукава являются местами интенсивного звездообразования и содержат некоторые из самых ярких и молодых звезд в галактике.
Спиральная галактика Млечный Путь
Млечный Путь является спиральной галактикой с четко выраженными рукавами, которые встречаются редко – в 10% случаев.
Помимо него, можно назвать:
• Галактику Черный Глаз, которая выглядит как огромное око, которое бросает зловещий взгляд из бездонного вакуума на глубины космоса. Она находится в созвездии Волосы Вероники и расположена на расстоянии около 18,3 миллионов световых лет от Земли.
Среди множества разноцветных и ярких галактик во Вселенной М64 выделяется как яркая иллюстрация к научно-фантастическим журналам 1950-х годов. Звезды в этой галактике формируются в огромном количестве.
Спиральная галактика М64 – Черный Глаз
Но что действительно странно, так это то, что она состоит из двух галактик с разным направлением вращения. Внутренняя часть системы вращается в одну сторону, в то время как звезды и пыль во внешних частях, находящихся на расстоянии около 40 000 световых лет, – в другую.
Гипотеза заключается в том, что две галактики столкнулись и слились друг с другом в далеком прошлом. В результате этого столкновения внутренняя часть галактики сохранила свое первоначальное направление вращения, а внешние части – приобрели новое.
Кроме необычного вращения, М64 также известна своей темной полосой пыли, которая пересекает ее центр. Эта полоса пыли настолько плотна, что блокирует свет от звезд, находящихся за ней. В результате этого создается эффект «глаза», который придает галактике свой уникальный вид.
• К спиральным следует отнести и галактику NGC 1300, расположенную в созвездии Эридан на расстоянии около 61 миллиона световых лет от Земли. Эта спиральная галактика имеет свои особенности: перемычку из ярких звёзд, выходящую из центра и пересекающую её посередине, отсутствие активного ядра, что может указывать на недостаточно массивную чёрную дыру в центре, а также то, что её четыре спиральные ветви начинаются на концах перемычек, тогда как в обычных спиральных галактиках они выходят непосредственно из ядра.
Галактик NGC 1300
Эта галактика, вероятно, образовалась в результате слияния двух или более галактик, что подтверждается наличием двух спиральных рукавов, которые расходятся от центра галактики в противоположных направлениях. Изображение галактики было получено с космического телескопа Хаббл в сентябре 2004 года. Оно является одним из самых больших изображений телескопа Хаббл, показывающих галактику целиком.
Обладательницей титула самой большой спиральной галактики на сегодняшний день стала галактика с перемычкой NGC 6872, расположенная на расстоянии 212 миллионов световых лет в созвездии Павлина.
Внешне она отличается от нашего Млечного Пути и в 5 раз больше него. Галактика обладает двумя длинными звездными «отростками», которые исходят из ее противоположных концов.
Спиральная галактика с перемычкой NGC 6872
NGC 6872 находится на расстоянии 212 миллионов световых лет от Земли. Ученые считают, что ее вытянутая форма обусловлена взаимодействием с соседней дисковой галактикой IC4970, масса которой составляет всего одну пятую от массы гиганта. Обычно такие галактические взаимодействия приводят к слиянию. Но в данном конкретном случае они, похоже, создадут новую галактику.
И еще несколько слов о спиральных галактиках. Их диски с характерным периодом вращения в несколько сотен миллионов лет содержат основную массу звёзд. Скорости вращения на большом расстоянии от центра достигают 100—400 км/с в зависимости от массы галактики и, как правило, мало меняются с удалением от центра.
Астрономы неожиданно для себя самих получили доказательства того, что все спиральные галактики вращаются с одной и той же скоростью. Нет никаких различий по месту во Вселенной, размеру, массы и плотности галактик. Все они тратят примерно 1 миллиард лет на полный оборот. Кроме того, астрономы математически вывели еще одну забавную закономерность: на краю галактик находятся самые старые звезды, хотя раньше считалось, что наоборот.
За некоторым исключением, спиральные галактики напоминают во Вселенной своеобразный космический фейерверк, о чем свидетельствуют изображения, сделанные с помощью очень большого телескопа Европейской южной обсерватории:
Спиральные галактики напоминают своеобразный космический фейерверк
– Эллиптические галактики имеют форму эллипса и обычно отличаются отсутствием выраженной структуры рукавов и дисков. Они большей частью содержат старые звезды и имеют более плотное ядро.
Эллиптическая галактика типа Е7, противоположные концы большой оси которой как бы заострены
К эллиптическим галактикам относятся:
• Вирго A – огромная эллиптическая галактика в созвездии Девы, в центре которой находится одна из наиболее массивных черных дыр, известная как M87*.
• M32 – небольшая эллиптическая галактика, являющаяся спутником Андромеды.
• Форнах UCD3 – галактика как результат слияния нескольких галактик, которая относится к редкому классу ультракомпактных карликов. Отличительная особенность – высокая плотность звезд и очень малый размер до 300 световых лет в диаметре. В центре её ученые открыли сверхмассивную черную дыру, по массе примерно равную сверхмассивной черной дыре в центре Млечного Пути и составляющую приблизительно 4% массы всей звездной системы, в которой находится.
Как возможно, что галактика столь малого размера обладает черной дырой таких размеров? Ученые убеждены, что это доказательство того факта, что некоторые галактики периодически сталкиваются между собой и более крупная «отхватывает» часть меньшей, продолжая свое путешествие в пространстве-времени. Нечто подобное произошло и с Fornax UCD3, превратив ее в умирающий «кусочек» с огромной дырой в центре.
• Центавр А. Она также известна как галактика Паука из-за своей выдающейся структуры.
Галактика Центавр А (NGC 5128)
От галактик других типов эллиптические галактики отличаются не только формой, но и простым внутренним строением, однородностью. Звезды в этих галактиках распределены очень равномерно, не образуя никаких внутренних уплотнений. Даже центральное ядро почти не замечается. Яркость в разных точках эллиптических галактик тоже примерно одинакова.
Эллиптические галактики с визуальной точки зрения представляют собой, вероятно, самый невыразительный тип галактик. Их форма напоминает гладкие эллипсы или круги с постепенным уменьшением светимости от центра к периферии. Они не обладают дополнительными характеристиками в своей структуре, например, рисунком, так как состоят из вторичного типа звездного населения. В основном эллиптические галактики состоят из красных и желтых гигантов, а также красных и желтых карликов с небольшим добавлением белых звезд с невысокой светимостью.
В них отмечается отсутствие бело-голубых сверхгигантов и гигантов, чьи скопления могли бы придать галактике выраженную структуру, а также пылевой материи, которой свойственно создавать темные полосы, подчеркивая форму звездной системы. Следовательно, внешне эллиптические галактики отличаются друг от друга преимущественно лишь степенью сжатия. Но, как выяснилось, очень сильно сжатых эллиптических галактик нет.
Исследования этих галактик показали, что все они вращаются вокруг своих малых осей, причем угловая скорость вращения одинакова на всех расстояниях от оси. Иначе говоря, эллиптические галактики в отличие от спиральных вращаются так же, как и твердые тела, например колесо или жернов. В твердых телах частицы расположены очень близко друг к другу. Поэтому между ними действуют огромные силы сцепления, которые связывают все частицы друг с другом и являются причиной того, что при вращении одни части тела увлекают за собой другие.
Интересно также и то, что эллиптические галактики в скоплениях галактик – это гигантские галактики, в то время как эллиптические галактики вне скоплений – это карлики в мире галактик. Таким образом, ученые впервые встретились с явлением различия типажа эллиптических галактик в разных областях Вселенной.
– Неправильные галактики оправдывают свое название, так как, не имея определенной формы и структуры, выглядят хаотично, без ярко выраженного ядра и спиральных ветвей. Они составляют около 10% всех галактик во Вселенной и могут быть большими или маленькими, яркими или тусклыми.
Однако, как и спиральные галактики, неправильные галактики содержат звёзды разных возрастов и межзвёздный газ и относятся к дисковым системам, поскольку основное количество звёзд и межзвёздной среды в них образует вращающийся «пухлый» звёздно-газовый диск. Он состоит преимущественно из старых звёзд (хотя могут быть звёзды всех возрастов) и имеет более симметричную форму, чем сама галактика, наблюдаемая в оптическом диапазоне спектра. Бесструктурный вид этим галактикам придаёт не характер распределения вещества в них, а хаотичное расположение в галактическом диске группировок молодых звёзд и связанных с ними светящихся облаков ионизованного газа. Среди большого количества неправильных галактик трудно найти две похожие.
Свойства неправильных галактик очень разнообразны: их массы, размеры, поверхностные яркости, темпы звездообразования варьируются в широких пределах.
Один из способов их образования, когда две галактики сталкиваются друг с другом и, деформируясь, образуют новую галактику неправильной формы.
Другой способ – это когда галактика испытывает сильное гравитационное воздействие от другой галактики, что может привести к деформации формы галактики и образованию неправильных структур.
Неправильные галактики можно разделить на две основные категории: первого типа, которые имеют некоторую структуру и признаки спиральных галактик, и второго типа, не имеющие никакой структуры и не вписывающиеся в одну из категорий, используемых в классификации галактик Хаббла.
Неправильные галактики могут быть источником мощных выбросов энергии и гравитационных волн.
Из них можно назвать следующие:
• NGC 1427A – относится к классу неправильных галактик, то есть имеющих аморфную структуру. Она находится на расстоянии 62 млн световых лет от Земли, входя в Скопление Печи. В неё входит большое число молодых горячих голубых звёзд, что свидетельствует об интенсивном звёздообразвании. Галактика движется со скоростью 600 км/с в сторону соседнего звездного скопления Печь, что вызывает деформацию и потенциально стимулирует образование новых заезд.
Неправильная галактика NGC 1427A в Скопление Печи
Галактика имеет вытянутую форму с характерным «наконечником стрелы» на одном конце, обусловленную её быстрым движением через скопление Печь. Классифицируется как «карликовая» галактика из-за небольшого размера по сравнению с другими галактиками
• IC 10 – другая неправильная галактика в созвездии Кассиопея, которая притаилась за пылью и газом, находящимися в плоскости нашей галактики на расстоянии 2,3 миллиона световых лет.
IC 10 – неправильная галактика в созвездии Кассиопея
Её свет ослабевает на пути к нам из-за вездесущей пыли. Однако это не мешает нам видеть в этой карликовой галактике энергичные области звездообразования. На этом красочном небесном пейзаже они светятся многоговорящим красноватым светом.
Было установлено, что она движется по направлению к Млечному Пути со скоростью в 350 км/с, что усилило доказательства её членства в Местной группе24.
Галактика IC 10 окружена кольцом из более старых звезд и имеет необычную форму, которая, возможно, является результатом взаимодействия с другой галактикой.
Она содержит огромную водородную оболочку, а также необычна тем, что её видимая часть вращается в другом направлении, чем внешняя оболочка. В центре галактики содержится область ионизированного водорода, поддерживаемого в этом состоянии ультрафиолетом горячих звёзд.
Галактика проявляет себя как рентгеновский источник, периодически затмевающийся звездой-компаньоном, которая в будущем, примерно через 0,3 млн лет, превратится в чёрную дыру. Несмотря на свою близость, галактика довольно трудна для изучения, потому что находится почти рядом с плоскостью Млечного Пути.
– Arp 220 – ультраяркая инфракрасная галактика со светимостью более триллиона солнц. Для сравнения, наша галактика Млечный Путь имеет гораздо более скромную светимость – около десяти миллиардов солнц.
Arp 220 – ультраяркая инфракрасная галактика со светимостью более триллиона солнц.
Расположена на расстоянии 250 миллионов световых лет от Солнца в созвездии Змеи. Является результатом столкновения двух галактик, которое началось 700 миллионов лет назад, и в настоящее время находится в процессе слияния, которое, вероятно, продлится еще сотни миллионов лет.
Это грандиозное событие, которое оказывает глубокое влияние на обе галактики. Сейчас их ядра находятся на расстоянии 1200 световых лет друг от друга. Каждое из ядер имеет вращающееся кольцо, в котором рождаются звезды. Яркий ультрафиолетовый свет от них создает дифракционные всплески – лучи, исходящие из центра и создающие оптический эффект.
Гравитационное притяжение галактик друг к другу приводит к деформации их форм и образованию длинных хвостов и петель из газа и звезд. Газ и пыль в галактиках сжимаются под действием гравитации, что приводит к образованию новых звезд. В центре каждой из галактик Arp 220 находится сверхмассивная черная дыра. Когда галактики сольются, эти черные дыры также образуют еще более массивную черную дыру.
Когда галактики сливаются, газ между звездами сжимается, образуя интенсивные вспышки новых звезд и питая массивные черные дыры в центрах слияний. Пыль в этих слияниях блокирует видимый свет от областей звездообразования и активных черных дыр, но более длинные волны света, такие как инфракрасные, могут ускользнуть и быть обнаружены телескопом Уэбба.
– Линзообразные галактики напоминают линзу из-за своей плоской структуры и вытянутой формы. Они возникают в результате гравитационного искривления света от удаленных объектов, вызванного присутствием ближних массивных галактик или скоплений галактик. По классификации Хаббла, это промежуточный тип между эллиптической и спиральной галактиками.
Линзообразные звездные системы обладают звездным диском вокруг центрального шаровидного скопления-балджа25, однако рукава относительно малы и выражены не очень ярко, а количества межзвездной газопылевой материи недостаточно для активного рождения новых звезд. Основные их «жители» – старые большие звезды, красного или желтого цветов. Как и спиральные галактики, они имеют форму диска, выраженное ядро и гало. Среди линзовидных галактик можно найти объекты с достаточно причудливыми и завораживающими формами.
Линзовидные галактики являются одними из самых распространенных типов галактик во Вселенной. Предположительно, образуются в результате столкновения спиральных галактик, из-за чего их диски могут быть деформированы и сформировать линзообразную форму. Они составляют около 20% всех галактик и являются интересными объектами для изучения, так как могут дать нам представление о том, как галактики эволюционируют.
Звёздные диски линзовидных галактик вращаются вокруг центра примерно с теми же скоростями, что и в спиральных галактиках. Однако диски в линзовидных галактиках обычно более толстые и характеризуются более высоким разбросом скоростей звёзд. Но главное отличие от спиральных галактик заключается в том, что рождение звёзд в линзовидных галактиках прекратилось практически полностью очень давно, многие миллиарды лет назад, что сделало их похожими на эллиптические галактики по составу звёздного населения, цвету и спектру. Очень много линзовидных галактик наблюдается в богатых скоплениях галактик, заполненных горячим межгалактическим газом.
Галактика NGC 6861 в созвездии Телескоп.
Это второй по яркости объект в созвездии. В отличие от большинства линзовидных галактик, которые, как правило, лишены как газа, так и пыли, NGC 6861 демонстрирует толстое затемняющее кольцо пыли вокруг ядра, где происходит звездообразование. Галактика была открыта шотландским астрономом Джеймсом Данлопом в 1826 г.
Вот несколько других примеров линзовидных галактик:
– Галактика Веретено – линзовидная галактика, расположенная в созвездии Дракона. Она находится на расстоянии около 44 миллионов световых лет от Земли. Галактика имеет диаметр около 60 000 световых лет и содержит около 100 миллиардов звезд.
Она является одной из самых изученных линзовидных галактик. В 2019 году в ней была обнаружена сверхмассивная черная дыра, масса которой составляет около 2,6 миллиардов солнечных масс, а в 2021 году – активное ядро, в котором происходит звездообразование.
– Скопление галактик, которое содержит линзообразные галактики, играющие ключевую роль в исследованиях гравитационных линз и теории относительности и помогающие астрономам лучше понять далекие источники света.
Гигантский кластер эллиптических галактик Abell 383 в центре этого изображения содержит так много массы темной материи, что ее гравитация искривляет свет. Звезды этого скопления оказались неожиданно старыми для галактики, столь близкой по времени к началу Вселенной.
Гигантский кластер эллиптических галактик Abell 383
Используя Abell 383, группа астрономов идентифицировала и изучила галактику, настолько далекую, что мы видим ее такой, какой она была менее чем через миллиард лет после Большого взрыва.
– Галактика NGC 720 является линзовидной галактикой, в которой происходит активное звездообразование. Это необычно для линзовидных галактик, так как они обычно считаются старыми и спокойными.
– Галактика NGC 4621 – линзовидная галактика с кольцом темной материи.
– Галактика NGC 612, возможно, является самой необычной из линзовидных галактик, которая обладает целым рядом интересных особенностей.
Необычная линзовидная галактика NGC 612
Она имеет яркий оранжевый пояс, окружающий внутренние области голубого цвета, и относится к активным галактикам. Это означает, что ее центральные области излучают примерно в 100 раз больше энергии, чем все звезды в диске. Вещество вокруг ее ядра движется относительно спокойно.
Самое же примечательное в NGC 612 то, что ее ядро является активным в радиодиапазоне. Подобные системы называются радиогалактиками и большинство из них относится к типу эллиптических. Ученым известно только пять галактик, которые ведут себя так, как эта.
NGC 612 расположена в созвездии Скульптора на расстоянии 400 млн световых лет от Земли, и ее легко можно наблюдать в Южном полушарии Земли, а вот в Северном это невозможно.
Линзообразные галактики являются уникальными объектами, позволяющими ученым изучать и понимать гравитационные линзы, массу галактик и даже свойства темной материи во Вселенной.
– Двойные галактики представляют собой пары галактик, находящихся в близком взаимодействии друг с другом, и могут находиться в процессе слияния или иметь сложные гравитационные взаимодействия. Они составляют около 12% всех галактик во Вселенной и могут образовываться различными способами.
Один из способов – когда две галактики сталкиваются друг с другом. При столкновении их диски могут быть деформированы и образовать две отдельные галактики, которые вращаются вокруг друг друга.
Другой способ образования двойных галактик – это когда две галактики рождаются в одном и том же месте в пространстве. В этом случае галактики, вероятно, начинают свое существование как отдельные галактики, но со временем их гравитация может привести их к тесному взаимодействию.
Американские ученые обнаружили объединяющиеся галактики, в каждой из которых есть квазар, очень яркий космический объект, сопровождающий сверхмассивную черную дыру.
Объединяющиеся галактики, в каждой из которых есть квазар