Галактики Вселенной

Галактика часто воображается нами такой, какой традиционно показывается в энциклопедиях и документальных фильмах — громадной спиралью из голубоватого дыма, в котором прячутся гроздья звезд, посередине которой ярко светит ядро. Однако такой «звездный остров» — всего лишь одна разновидность правильных структур. Ведь бывают и неправильные галактики, лишенные выраженных ядер и рукавов — они бултыхаются в космическом пространстве подобно яйцу, разбитому в невесомости. Издали они мало чем отличаются от хаотичных туманностей: разница состоит в размерах и концентрации звезд.

Галактика Андромеды — ближайшая к нам крупная галактика

Итак, что нужно, чтобы назвать объект галактикой?

• Во-первых, это наличие в ней звезд и звездных скоплений — они составляют львиную долю видимой нам материи галактики. Но только видимой: большую часть массы любой галактики составляют прослойки газа и пыли, молекулярные облака и темная материя.
• Во-вторых, все это богатство должно быть связано в гравитационной системе и вращаться вокруг общего центра масс. Обычно им выступает галактический центр, о котором речь пойдет дальше — но его отсутствие не препятствие.
• Кроме внутреннего гравитационного взаимодействия, галактики взаимодействуют между собой. Меньшие «звездные острова» вращаются вокруг больших — а те выстраивают связи с другими гигантами, включаясь в крупномасштабную структуру Вселенной. Но в отличие от планет и их спутников, галактики славятся «хищными» нравами. Наш Млечный путь близок к тому, чтобы через пару миллиардов лет поглотить своих спутников, Большое и Малое Магеллановы Облака — а после этого его «слопает» галактика Андромеды.

Большое Магелланово облако — галактика-спутник Млечного пути

• Видной характеристикой галактики является размер — как и содержание звезд, так и размах. Однако тут как раз точности и нет. Существуют галактики, которые в радиусе сотни–второй световых лет вмещают сотни миллионов звезд. Но бывают и другие, в которых на ту же сотню световых лет рассыпаны считаные тысячи звезд. Поэтому единственный четкий критерий тут — это гравитационная отделенность от близлежащих «островов» и наличие собственного центра массы. Так, во Вселенной одновременно существуют галактики с несколькими тысячами светил, и с сотнями триллионов звезд.

Как видите, нет четких рамок или определения для понятия что такое галактика. Поэтому они такие разнообразные, часто совсем невообразимые. Это и сверхяркие мощные квазары, и Великий Аттрактор, и громадные звездные поля протяженностью в миллионы световых лет. Но даже у самых обычных галактик есть чем удивить. Об этом дальше.

Галактические объединения и состав галактик

Галактики состоят всего из трех компонент:

1. Тёмная материя, составляет основную часть массы
2. Межзвездный газ и пыль, которого 10 – 30%
3. Звёзды, черные дыры, нейтронные звезды, планеты, астероиды и прочая мелочь общей массой около 1%

Около 95% галактик собраны в группы. Минимальные группы насчитывают всего несколько десятков объектов, а большие — десятки тысяч. Сотни галактик объединяются в скопления, а тысячи – в сверхскопления.

Спиральные галактики

Спиральные галактики узнаваемы по их ярким спиральным рукавам (в основном два) и центральному выпуклому, населенному преимущественно старыми звездами. В классификации Хаббла спиральные галактики обозначаются английской буквой “S”, за которой следует буква “a”, “b” или “c”, обозначающая протяженность спиральных рукавов (“a” – близко друг к другу).

Рукава спиральной галактики отчетливо видны из-за присутствия в изобилии молодых, все еще формирующихся звезд.

Астрофизические параметры и типы галактик

Первые исследования космоса, проведенные в начале XX века, дали обильную почву для размышлений. Обнаруженные в объектив телескопа космические туманности, которых со временем насчитали более тысячи, представляли собой интереснейшие объекты во Вселенной. Длительное время эти светлые пятна на ночном небе считались скоплениями газа, входящими в структуру нашей галактики. Эдвин Хаббл в 1924 году сумел измерить расстояние до скопления звезд, туманностей и сделал сенсационное открытие: эти туманности – ни что иное, как далекие спиралевидные галактики, самостоятельно странствующие в масштабах Вселенной.

Американский астроном впервые предположил, что наша Вселенная – это множество галактик. Исследования космоса в последней четверти XX века, наблюдения, сделанные с помощью космических аппаратов и техники, включая знаменитый телескоп Хаббл, подтвердили эти предположения. Космос безграничен и наш Млечный путь – далеко не самая крупная галактика во Вселенной и к тому же не является ее центром.

Только с появлением мощных технических средств наблюдения, Вселенная стала обретать четкие очертания. Ученые столкнулись с тем фактом, что даже такие огромные образования, какими являются галактики, могут отличаться по своей структуре и строению, форме и размерам.

Усилиями Эдвина Хаббла мир получил систематизированную классификацию галактик, делящую их на три типа:

• спиральные;
• эллиптические;
• неправильные.

Эллиптические галактики и спиральные являются самыми распространенными типами. К ним относятся наша галактика Млечный Путь, а также соседняя с нами галактика Андромеда и многие другие галактики во Вселенной.

Эллиптические галактики имеют форму эллипса и вытянуты в одном из направлений. Эти объекты лишены рукавов и часто меняют свою форму. По своим размерам эти объекты также отличаются друг от друга. В отличие от спиральных галактик, эти космические монстры не имеют четко выраженного центра. Ядро в таких структурах отсутствует.

По классификации такие галактики обозначаются латинской буквой E. Все на сегодняшний день известные эллиптические галактики разделены на подгруппы E0-E7. Распределение по подгруппам осуществляется в зависимости от конфигурации: от галактик почти круглой формы (E0, E1 и E2)до сильно растянутых объектов с индексами E6 и E7. Среди эллиптических галактик встречаются карлики и настоящие гиганты, имеющие диаметры в миллионы световых лет.

К спиральным галактикам относятся два подтипа:

• галактики, представленные в виде пересеченной спирали;
• нормальные спирали.

Первый подтип выделяется следующими особенностями. По форме такие галактики напоминают правильную спираль, однако в центре такой спиральной галактики находится перемычка (бар), дающая начало рукавам. Такие перемычки в галактике обычно являются следствием физических центробежных процессов, делящих ядро галактики на две части. Существуют галактики с двумя ядрами, тандем которых и составляет центральный диск. Когда ядра встречаются, перемычка исчезает и галактика становится нормальной, с одним центром. Существует перемычка и в нашей галактике Млечный путь, в одном из рукавов которой находится наша Солнечная система. От Солнца к центру галактики путь по современным оценкам составляет 27 тыс. световых лет. Толщина рукава Ориона Лебедя, в котором пребывает наше Солнце и вместе с ним наша планета, составляет 700 тыс. световых лет.

В соответствии с классификацией спиральные галактики обозначаются латинскими буквами Sb. В зависимости от подгруппы, существуют и другие обозначения спиральных галактик: Dba, Sba и Sbc. Разница между подгруппами определяется длиной бара, его формой и конфигурацией рукавов.

Спиральные галактики могут иметь различные размеры, начиная от 20 000 световых лет и до 100 тыс. световых лет в диаметре. Наша галактика «Млечный Путь» пребывает в «золотой серединке», своими размерами тяготея к галактикам средней величины.

Самый редкий тип – неправильные галактики. Эти вселенские объекты представляют собой крупные скопления звезд и туманностей, не имеющие четкой формы и структуры. В соответствии с классификацией они получили индексы Im и IO. Как правило, у структур первого типа диска нет или он слабо выражен. Нередко у таких галактик можно рассмотреть подобие рукавов. Галактики с индексами IO представляют собой хаотическое скопление звезд, облаков газа и темной материи. Яркими представителям такой группы галактик являются Большое и Малое Магелланово Облако.

Все галактики: правильные и неправильные, эллиптические и спиральные, состоят из триллионов звезд. Пространство между звездами с их планетарными системами заполнено темной материей или облаками космического газа и частицами пыли. В промежутках этих пустот находятся черные дыры, большие и малые, которые нарушают идиллию космического спокойствия.

Исходя из имеющейся классификации и по результатам исследований, можно с некоторой долей уверенности ответить на вопрос, сколько галактик во Вселенной и какого они типа. Больше всего во Вселенной спиральных галактик. Их более 55 % от общего количества всех вселенских объектов. Эллиптических галактик в два раза меньше – всего 22% от общего числа. Неправильных галактик, аналогичных Большому и Малому Магеллановым Облакам, во Вселенной только 5%. Одни галактики соседствуют с нами и находятся в поле зрения мощнейших телескопов. Другие находятся в самом дальнем пространстве, где преобладает темная материя и в объективе видна больше чернота бескрайнего космоса.

Что такое галактика?

Если вы посмотрите на ночное небо через телескоп, то вы увидите то, чего не видно невооружённым глазом: множество звёзд, которые на самом деле являются самозванцами. Многие из этих точек света на самом деле являются галактиками – скоплениями миллионов или триллионов звёзд. Галактики состоят из звёзд, пыли и тёмной материи, соединённых силами гравитации.

Астрономы до сих пор точно не знают, как именно образовались галактики. После Большого Взрыва пространство почти полностью состояло из водорода и гелия. Некоторые астрономы считают, что гравитация объединяла пыль и газ, образуя отдельные звёзды, и эти звёзды в конечном итоге объединились в более крупные структуры – галактики. Другие думают, что пыль и газ объединились в массивные облака (предшественники галактик), после чего в них начали происходить процессы звездообразования. Астрономы также совершенствуют свои методы измерения массы отдельных галактик, как, например, в исследовании 2018 года, в котором использовались трёхмерные движения нескольких галактик для более точного определения массы Млечного Пути.

Открытие галактик

В начале 1900-х многие астрономы думали, что вся Вселенная находится в нашей галактике, Млечном Пути. Другие, такие как Харлоу Шепли, учёный и глава обсерватории Гарвардского колледжа, утверждали, что капли в форме спирали, которые считались пылью и газом, были отдельными от нашей галактики объектами, и называли их “островными вселенными”.

Лишь в 1924 году Эдвин Хаббл обнаружил несколько пульсирующих звёзд, называемых переменные цефеид, и понял, что они находятся далеко за пределами Млечного Пути. Эти небесные объекты были уникальными объединениями звёзд на расстояниях далеко за пределами нашей родной галактики.

Галактики NGC 3972 (слева) и NGC 1015 (справа), которые содержат пульсирующие переменные звёзды (цефеиды). Авторы и права: A. Riess (STScl / JHU) / NASA / ESA.

После того, как Хаббл измерил расстояние до отдельных галактик, он продолжил измерять их доплеровский сдвиг. Он определил, что галактики вокруг Млечного Пути удаляются от нас с невероятной скоростью. Чем дальше галактики, тем быстрее они убегают. Благодаря этому он смог определить, что сама Вселенная расширяется, и спустя годы астрономы выяснили, что она расширяется с ускорением.

Характеристики галактик

В центрах большинства галактик находятся чёрные дыры, которые могут производить огромное количество энергии, благодаря чему астрономы могут видеть галактики, находящиеся на значительных расстояниях. В некоторых случаях центральная чёрная дыра галактики является чрезвычайно большой или активной, даже в относительно небольших галактиках. Материал, окружающий чёрную дыру, может быть разогнан и выброшен в космическое пространство в виде джетов. Другие галактики могут содержать в своих ядрах квазары – самые энергичные тела во Вселенной.

Галактики классифицируются по форме. Каждый тип имеет разные характеристики и свою историю развития.

На этом изображении “Хаббла” показана спиральная галактика NGC 5033. Авторы и права: NASA / ESA / Hubble / Judy Schmidt.

Некоторые, как Млечный Путь, имеют рукава, закручивающиеся по спирали от центра галактики. Известные как спиральные галактики, эти группы составляют большую часть галактик, которые могут видеть астрономы. Газ и пыль в спиральной галактике кружатся вокруг центра со скоростью несколько сотен километров в секунду, создавая тем самым форму всей галактики. Некоторые, известные как “спирали с перемычками”, имеют в центре стержнеобразную структуру, образованную пылью и газом, движущемся к центру. Пыль и газ в спиральных галактиках постоянно подпитывают процессы звездообразования.

Эллиптическим галактикам не хватает спиральных рукавов своих более ярких родственников. Их внешний вид варьируется от круглого до очень вытянутого. Эллиптические галактики имеют меньше пыли, чем их спиральные аналоги, и поэтому процесс создания звёзд в них практически остановился. Большинство звёзд в этих галактиках очень старые. Хотя они составляют меньшую часть видимых галактик, астрономы считают, что более половины галактик во Вселенной являются эллиптическими.

Эллиптическая галактика NGC 4696. Авторы и права: Hubble / NASA / ESA.

Оставшиеся 3 процента галактик во Вселенной известны как неправильные галактики. Они не являются круглыми и не могут похвастаться спиральными рукавами, а их формы не имеют определенного названия. Гравитация других галактик часто влияла на них, растягивая их или деформируя. Столкновения или сближения с другими галактиками также могли стать причиной изменения их формы.

Слияния галактик

Галактики не плавают в пространстве изолированно, а сгруппированы в группы, известные как скопления. Некоторые скопления очень большие, содержат более тысячи галактик, а другие гораздо меньше. Млечный Путь принадлежит скоплению, известному как Местная Группа, которая содержит всего 50 галактик.

Иногда галактики сталкиваются друг с другом, объединяя свои звёзды и пыль вместе. Это важный шаг в эволюции и росте многих галактик. В конце 2018 года астрономы провели исследование, в котором наблюдали за тем, как две сверхмассивные чёрные дыры врезаются друг в друга на заключительных этапах галактического слияния.

Столкновение двух спиральных галактик NGC 4038 и NGC 4039, которые расположены на расстоянии около 62 миллионов световых лет от Земли. Авторы и права: NASA / ESA / B. Whitmore, STScI.

Обычно, при слиянии галактик, отдельные звёзды не сталкиваются, но приток пыли и газа увеличивает скорость звездообразования. Млечный Путь должен столкнуться с галактикой Андромеды примерно через 5 миллиардов лет, и столкновения происходили и в его далёком прошлом; его характерная выпуклость могла появиться после поглощения карликовой галактики. Аналогично и галактика Андромеды, вероятно, поглотила одного из своих соседей.

Новые исследования галактик

В последние годы астрономы пристально следят за галактиками и за тем, как на их эволюцию влияет тёмная материя, вещество, которое невозможно обнаружить с помощью обыкновенных телескопов. Считается, что тёмная материя и тёмная энергия вместе составляют большую часть массы и энергии всей Вселенной, но их существование трудно доказать, потому что мы можем видеть их только через влияние, которое они оказывают на обычные объекты, такие как галактики.

В 2017 году астрономы обнаружили две огромные и очень старые галактики, которые образовались в море тёмной материи. Чрезвычайно большой размер галактик заставляет учёных задаться вопросом: постепенно ли они увеличивались со временем или какой-то другой процесс помог им в этом. Всего через несколько месяцев после этого открытия астрономы также обнаружили группу галактик, которые вращались синхронно друг с другом по схеме, которую можно было объяснить только наличием тёмной материи.

Новый снимок космического телескопа “Хаббл”, показывающий 15 000 галактик. Авторы и права: P. Oesch (University of Geneva) and M. Montes (University of New South Wales) / NASA / ESA.

Однако в 2018 году группа исследователей поставила под сомнение теорию тёмной материи, когда обнаружила, что галактика под названием NGC 1052-DF2 содержит примерно в 400 раз меньше тёмной материи, чем предсказывали модели для объекта такого размера, что также может изменить модели эволюции галактик. Тем не менее, результаты исследования являются противоречивыми и всё ещё обсуждаются.

В 2018 году снимок, переданный, космическим телескопом “Хаббл” сумел вместить в себя примерно 15 000 галактик, обеспечивая тем самым обширные охотничьи угодья для будущих галактических исследований. И в том же году сотни галактик были обнаружены за сверхмассивной чёрной дырой, которая ранее скрывала их от взора астрономов.