Галактики: фабрики звезд

Сергей Максименков – 07 сентября 2023

Если задаться вопросом о том, из чего состоит Вселенная, то перед глазами всплывут картины разнообразных галактик. Ими усеяны все самые впечатляющие космические снимки. Об их природе спорили еще 200 лет назад. Спорят и сейчас. Что мы знаем и что все еще остается загадкой в наших звездных домах?

Галактики Антенны — пара взаимодействующих галактик в созвездии Ворона. Фото: NASA, ESA, and B. Whitmore, esa.int

От накопления знаний до «Большого спора»

Сама история открытия галактик (кстати, процесс долгий, а не одномоментный) хорошо демонстрирует механизм работы науки над любым глобальным и фундаментальным вопросом. От предположения, что туманные пятна, наблюдаемые в первые телескопы, являются галактиками, до подтверждения этого статуса прошло более 150 лет. Причем на этом отрезке единой позиции научного сообщества, которое тогда только зарождалось, еще не было. А доминирующие точки зрения неожиданно менялись на противоположные.

Например, еще в середине XVIII века высказывались предположения, что наблюдаемые туманности могут быть звездными системами, аналогичными Млечному Пути. Но в то время подобные идеи, даже высказанные фигурой наподобие Иммануила Канта или Уильяма Гершеля, воспринимались не очень серьезно. Потому что проверить и всерьез взяться за изучение вопроса с имевшимися инструментами возможности не было. Любопытно, что даже при совершенствовании инструментария раскол только усиливался.

Одни считали, что вся Вселенная – это и есть Млечный Путь, она состоит из звезд, а туманности – это будущие звезды. Другие предполагали, что Млечный Путь – это лишь одна из многочисленных структур Вселенной, подобных которой (то есть других галактик) существует еще множество. Почему при совершенствовании телескопов и углублении расчетов разногласия усиливались? Да потому что существуют реальные туманности, находящиеся в Млечном Пути, а есть реальные далекие галактики. Но для большинства инструментов того времени они выглядели примерно одинаково, поэтому и классифицировались единым образом. Забавно, что в середине XIX века ярым сторонником галактики-Вселенной был Джон Гершель, сын легендарного Уильяма Гершеля, который почти за сто лет до него как раз предполагал обратное – наличие отдельных галактик.

При этом Гершель-младший продолжил важную и единственно возможную на тот момент исследовательскую работу по изучению загадочных туманных объектов – он их каталогизировал. Все мы знаем знаменитый каталог Шарля Мессье, который в конце XVIII века собрал воедино 103 самых ярких туманных объектов на небе (в XX веке он был дополнен до 110). Мы и по сей день используем обозначение этих объектов из каталога Мессье. Например, галактика Андромеда – это М31.

Так вот, Джон Гершель собрал еще около пяти тысяч таких объектов. Накапливалась критическая масса знаний. А к ней добавлялся и технологический прорыв. Тогда же, в середине XIX века Уильямс Парсонс, построивший собственный, передовой по тем временам телескоп, стал определять разницу в «туманностях» (так тогда часто называли другие галактики, а не реальные туманности галактики нашей), заметив спиральную структуру некоторых из них.

Телескоп Левиафан (6-футовый телескоп Росса), построенный Уильямом Парсонсом. С помощью него Парсонс смог наблюдать спиралевидную структуру галактик. rmg.co.uk

Казалось, что оставался всего один шаг до понимания истинной природы туманностей. Но во второй половине XIX века ученые только сами себя запутали, неверно интерпретировав очередную подсказку, данную новым технологическим прорывом. Тогда стал впервые доступен спектральный анализ туманностей. Его провели в 1865 году. И тогда же были выбраны прекрасные наглядные примеры – туманность Ориона и М31, то есть галактика Андромеды.

В спектре туманности Ориона явно прослеживались характерные следы, указывавшие на преобладание в ней газа, то есть на ту природу, которую приписывали всем туманностям. А вот спектр М31 был странным для исследователей – он не имел отдельных сигнатур и выглядел ровным, как это бывает у звезд. Вместо того чтобы подумать, что имеют дело с разными по своей сути объектами, ученые спорили о том, как плотность газа или отражения от него сделали спектр туманности М31 таким. Словом, повернули не туда, снова спутав туманность с галактикой. Вернуться на правильный путь позволили цефеиды.

Это особый класс пульсирующих переменных звезд с четкой созависимостью периода и светимости. Несколько упрощая, это галактические маяки, дающие усиленные вспышки в строго определенные интервалы времени. По этим «маякам» можно относительно точно определять расстояния до звездных скоплений, в которых они находятся.

Ученые бросились наперебой пересчитывать дистанции до разных цефеид, в частности, в галактике Андромеда. Так астрономия пришла к разрешению очередной большой загадки устройства мира: а что это такое, другие галактики? Конечно, известна эта проблема не так, как, например, открытие шарообразности Земли или гелиоцентричной системы, но имеет не меньшее фундаментальное значение. К слову, для этой загадки даже существует собственное название – «Большой спор». Фактически он продолжался с 1918 по 1924 год. Пиком стала реальная научная дискуссия, развернувшаяся в Национальной академии наук США в Вашингтоне.

Главными спорщиками стали астрономы Харлоу Шепли и Гебер Кертис. Первый настаивал на колоссальном размере нашей галактики и на том, что все наблюдаемое во Вселенной относится к ней. Он основывался на изучении расстояний до шаровых скоплений и их распределении. Кертис же предполагал, что наша галактика невелика, а «спиральные туманности» являются другими такими же галактиками.

Оба ученых достаточно аргументированно и ярко доказывали свою точку зрения, поэтому в конце спора каждый остался при своем. А контрольного аргумента пришлось ждать четыре года. Его предоставил Эдвин Хаббл. Он собрал большую базу цефеид в спиральных туманностях, обсчитал расстояния с беспрецедентной на то время точностью и выступил с докладом, который однозначно доказал, что спиральные туманности находятся очень и очень далеко и представляют собой отдельные галактики за пределами Млечного Пути.
К слову, именно Хаббл вскоре заложил основу для классификации галактик: его схема используется и по сей день.

Линзы и спирали

Когда мы говорим о галактике, первым делом в голову приходит красивая спираль – в одной из таких спиралевидных галактик, собственно, и живем мы сами. И вообще из известных сейчас галактик примерно три четверти относятся к спиральным. У них есть несколько подвидов. Классические спиральные галактики обозначаются буквой S с индексом от а до d, который показывает, насколько плотно расположены их рукава. Спиральные галактики с перемычкой – SB - с теми же индексами.

Эллиптические галактики - буквой E с цифрой от нуля до семи. Цифра в данном случае обозначает эксцентриситет (упрощенно говоря, «сплющенность» эллипса галактики), где 0 – это практически шарообразная галактика, а 7 имеет «сплющенную» форму. Впрочем, нужно иметь в виду, что реальная форма может быть иной. Ведь в наших, человеческих классификациях речь идет о проекции с точки зрения наблюдателя. Буквами Irr обозначаются неправильные галактики, форму которых тяжело отнести к одному из известных типов. Через десять лет после появления классификации Хаббла в нее был добавлен еще один вид галактик – линзовидные (S0). Это промежуточное состояние между эллиптическими и спиральными.

У них есть выраженная выпуклость в центре, но нет спиральных рукавов. Особым видом галактик, который лежит за пределами общепринятой классификации, являются пекулярные (peculiar – необычный, особенный). Создан специальный атлас с такими галактиками. Они содержат в себе признаки нескольких типов либо не похожи ни на один из них. Обычно это происходит, например, при гравитационном взаимодействии нескольких галактик, что искажает их форму.

Существуют и другие схемы классификации галактик. Например, схема ван ден Берга учитывает еще и яркость центральной области, длину рукавов, наличие молодых звезд. Схема Вокулера показывает наличие кольца у галактики. А схема Моргана учитывает и цвет со спектром. Но самой известной и общеупотребимой является все же схема Хаббла, которая лежит и в основе других известных схем.

От ядра до гало

Давайте подробнее разберемся в строении галактик. В центре ее находится ядро. Обычно о галактических ядрах говорят, когда они достаточно яркие и четко выраженные. Яркость обусловлена активностью процессов в центральной области. А за них отвечает сверхмассивная черная дыра – а то и несколько. Пламенными моторами галактик являются именно эти гиганты. Наиболее активные из них поглощают газ и пыль так активно, что излучение от «притягиваемого» и разогреваемого перед поглощением материала будет затмевать излучение всех звезд в галактике.

Так что ядром можно назвать не только самую центральную черную дыру, но и ее непосредственные окрестности – газ, пыль, звезды, которые взаимодействуют с черной дырой. Наиболее сильно ядра выражены в спиральных галактиках. А в эллиптических или неправильных порой вообще их невозможно рассмотреть. Еще один важный элемент галактики – это диск. Относительно узкая область, где сосредоточена основная звездная масса галактики. Это справедливо по отношению к спиральным. Эллиптические, например, диска не имеют. Сам диск тоже подразделяется на несколько типов.

Тонкий диск содержит основную часть звезд галактики, здесь они в основном молодые, а вот в толстом диске располагаются более старые звезды. Еще выделяется пылевой диск, который входит в структуру тонкого. Давайте попробуем показать это на примере Млечного Пути – благо наша галактика относится к числу довольно типичных спиральных. Так, толстый диск Млечного Пути имеет толщину в 1,2 килопарсека (1 парсек = 3,26 светового года) в районе расположения Солнечной системы. Тонкий диск имеет около 350 парсек.

Спиральные рукава представляют собой волны плотности в диске галактики. Предполагается, что у Млечного Пути четыре рукава. Почему мы говорим о предположении, ведь, вроде бы, это галактика, в которой мы живем, как можно не знать свой собственный дом как пять пальцев? Потому что точную форму нашей галактики мы определить по-прежнему не можем, как бы это парадоксально ни звучало. «Лицом к лицу лица не увидать»: тяжело судить о типе и форме очень большого и сложного корабля, находясь на его борту, а не наблюдая со стороны. Вот спиральных рукавов нашей галактики это и касается в первую очередь.

Приходится привлекать сложные расчеты и результаты косвенных наблюдений. Нельзя просто взять и посмотреть, как мы выглядим со стороны. В центральной области галактики есть выпуклость, которую называют балджем. Есть галактики, где он выражен очень ярко и имеет большой размер. Млечный Путь же средней выпуклости. Это сфероид с радиусом около 2,5 килопарсека. С балджами часто связан такой объект, как перемычка или бар. Есть галактики вовсе без перемычек, а есть и с массивными, заметными. Это газопылевые структуры, насыщенные звездами.

Они создают такой гравитационный потенциал, который позволяет формировать газовые потоки в центральной части галактики, словно бы перемешивает их. Наличие перемычки связывают с процессами активного звездообразования, формирования спиральных рукавов. У Млечного Пути бар не очень выражен, но все же есть. И его радиус составляет около 4 килопарсеков. Наконец, гало.

Это, пожалуй, наименее изученная и вносящая больше всего путаницы область галактики. И одновременно с этим самая важная для решения оставшихся вопросов о природе как галактик, так и Вселенной в целом. Вы могли обратить внимание, что мы, описывая разные составляющие части Млечного Пути, называя их размеры, не указываем собственно размер самой галактики, чтобы можно было как-то сравнительно оценивать диск, перемычку, выпуклость. Не делали мы это не просто так: размер галактики не так легко определить. Велик соблазн ограничиться тем, что мы видим. Как правило, это эффектный спиральный диск. Измеряем его диаметр – вот вам и размер. В таком случае размер Млечного Пути равен 32 килопарсекам или примерно сотне тысяч световых лет в диаметре. Но наблюдения за другими похожими галактиками показывают, что некоторые структуры, газовые, например, распространяются на расстояния в разы больше диаметра галактик. Их можно заметить в радиодиапазоне. Усложняет оценку и наличие гало. Это практически сферическое образование, в которое «вписан» сам диск галактики со всем, что в нем есть.

В гало находятся всего считанные проценты всех видимых звезд нашей галактики, но оно имеет диаметр до 80 килопарсек. А отдельные звезды, связанные с нашей галактикой, находятся и в сотнях килопарсек от ее центра. Некоторые – формируют целые звездные потоки, напоминающие о былых слияниях и бурных событиях в жизни галактики. И вроде бы этим небольшим количеством звезд и газом можно было бы пренебречь, но в гало сосредоточен и «гравитационный фундамент» галактик – там находится основная масса темной материи, как показывают эксперименты и наблюдения за гравитационным линзированием. Так что гало – это область, которую крайне необходимо дополнительно и углубленно изучать, несмотря на ее малую заметность и светимость в классическом смысле. Ведь именно на темную материю приходится основная часть массы Вселенной – и, не поняв ее, мы не разберемся и в том, какой «гравитационный якорь» сформировал сами галактики.

Без гравитации галактического гало сами галактики вряд ли образовались бы – а без них невозможно и активное звездообразование, породившее наше Солнце, Землю и, в конечном счете, нас самих. Получается небольшой парадокс: нечто в таком тусклом и малозаметном галактическом гало и есть ответ на вопрос – почему возникло все то, что мы видим вокруг нас в повседневной жизни. Вообще, если начать рассматривать галактики не только в оптическом диапазоне, а и в других частях спектра, то откроются новые морфологические детали. Не только «газовые» моря, в которых купаются эти гигантские спирали и линзы, но и «стреляющие» на многие световые годы релятивистские струи (так называют струи плазмы, двигающиеся с околосветовыми скоростями), выбрасываемые из приполярных районов активных черных дыр. А в центре нашей галактики со спокойной черной дырой в гамма-диапазоне были обнаружены пузыри Ферми, которые простираются на 25 тысяч световых лет над и под плоскостью диска. Это свидетельство былой активности центральной черной дыры в центре Млечного Пути.

Вперед в прошлое

Когда Эдвин Хаббл рисовал свою классификацию галактик, он воспринимал ее как эволюционную. То есть предполагал, что сначала галактики являются эллиптическими, потом, когда формируется диск, обретают линзовидную форму, а затем в диске образуются спиральные рукава. Сто лет назад идея выглядела красивой и логичной. Сейчас же мы знаем, что все намного сложнее, а споры об эволюции галактик остаются одними из самых актуальных. Но точно известно, что как раз спиральные галактики предшествуют эллиптическим – вопреки тому, что думал Хаббл.

Последние содержат самые старые звезды, имеют малую активность звездообразования и вообще кажутся эдакими полузасохшими реликтами, которые «устаканились» в своей почти шарообразной форме после бурного периода слияний и расширений. Вообще, существует несколько гипотез эволюции галактик. Тут все ровно так же, как было лет 150 назад, – но с иной спецификой. Накапливаются данные, выдвигаются предположения. Доминирующей теорией сейчас является иерархическая концепция эволюции. Она подразумевает существенную роль темной материи в «собирании» первичного вещества, которое после остывания стало собираться в протогалактики. Без участия темной материи, без ее гравитационного вклада это «собирание» продолжалось бы и по сей день – а мы все еще не возникли бы.

Темная материя сыграла роль клея, ускорившего образование первых галактик, которые имели неправильную форму и были крайне активными, содержали гигантские быстроживущие звезды первого поколения (Населения III в нынешней классификации), которые состояли почти исключительно из водорода и гелия.

Сейчас звезд такого размера уже не осталось. В результате своей гибели в мощных взрывах они насытили пространство более тяжелыми элементами, которые успели наработать в ходе термоядерных реакций. То есть дали нужный материал для образования звезды Населения II и Населения I – включая наше Солнце. Эта концепция хорошо теоретически описывает процесс укрупнения и обретения формы галактиками, образование галактических скоплений с единым гало из темной материи. Однако гипотезу постоянно приходится дорабатывать, а некоторые противоречия внутри нее кажутся необъяснимыми.

Особенно с быстрым ростом знаний о ранней Вселенной, пополняемой «Хабблом» и «Джеймсом Уэббом», которые регулярно наблюдают все больше далекие галактики. То их размер и развитость, то структура бросают вызов иерархической концепции. Получается, что уже в самой ранней Вселенной галактики часто выглядели как сегодня – когда же они «собирались» из исходного состояния Вселенной? В этом многообразии данных, порой противоречивых, сложно выработать иную гипотезу, которая не только основывалась бы на отдельных наблюдениях, но и имела бы под собой крепкую теоретическую базу – иерархическая концепция хотя бы этим может похвастаться.

Можно сказать, что в вопросе изучения эволюции галактик, их происхождения и развития мы находимся в положении ученых XIX века, споривших о том, чем вообще являются наблюдаемые ими объекты. Наши технологии позволяют заглянуть уже до самых первых галактик. Но нужно понимать, что даже умопомрачительные снимки мириад галактик из ранней Вселенной – это лишь мизерный участок окружающего нас неба. Все остальное астрономы пока еще не успели толком рассмотреть и изучить. Получается, что, говоря о заре формирования галактик, мы пытаемся судить обо всей окружающей Вселенной подобно тому, как узник, который с детства находится в заточении в башне, может судить обо всей окружающей его природе, глядя наружу в узкую щель зарешеченного окна. Однако пройдет время – и узник выйдет на свободу. Рано или поздно астрономы смогут увидеть мир целиком, таким, какой он есть.