Эволюция галактик

      Актуальность  темы об образовании  и развитии Вселенной. 

     Такие проблемы, как образование и развитие Вселенной, звёзд и планет, возникновение  жизни на Земле, одинока ли наша Вселенная  в мире, сущевствуют ли другие Вселенные, были и остаются актуальнейшими для учёных.

      Наши  представления об окружающем мире постоянно  развиваются и совершенствуются. Физиками во главе с В. А. Любимовым была измерена масса электронных нейтрино – мельчайшей из известных частиц. Она оказалась в 10 – 30 тысяч раз меньше массы электрона, то есть равной (3 – 9)* 10(- 32). Этот факт существенно изменил представления об эволюции Вселенной. Астрофизики давно установили, что общая масса Вселенной, связанной со звёздами, составляет 10(50) тонн. Некоторые из них высказали предположение, что её масса должна быть во 100 раз больше за счёт скрытого вещества. Учёные взялись за поиски этого вещества. Открытие пришло со стороны нейтрино. Физикам сейчас известны 3 пары нейтрино и антинейтрино. Их количество в 1 куб. см. межзвёздного пространства равно 450. Если допустить, что массы нейтрино не сильно отличаются друг от друга, то плотность межзвёздного пространства заключена в диапазоне (1, 4 – 4)* 10(- 29) грамм на сантиметр кубический. Из этого следует, что Вселенная не должна беспредельно расширяться. Некоторые астрофизики считают, что фаза расширения подходит к концу – Вселенная скоро начнёт сжиматься и вновь превратится в точку примерно через 20 млрд. лет. Другие считают, что фаза расширения продлится ещё 30 млрд. лет, а затем Вселенная 50 млрд. лет будет сжиматься. Этой точки зрения придерживается большинство учёных. В итоге получается, что полный цикл развития Вселенной от расширения до сжатия составляет порядка 100 млрд. лет. Цикл расширения и сжатия Вселенной может повторяться конечное или бесконечное количество раз. Некоторые астрофизики полагают, что при каждом новом формировании Вселенная может образовываться со своими собственными фундаментальными константами. Главной силой, управляющей в настоящее время нашей Вселенной является гравитация, а основная масса вещества, которой она управляет, сосредоточена в самых мельчайших частицах  - нейтрино, заполняющих всё мировое пространство. О том, что Вселенная, начавшись миллиарды лет назад из одной точки, в которой не было ни пространства, ни времени, теперь стала такой огромной, что у неё, по сути нет ни конца, ни края. А значит нас ждут новые, может быть даже невероятные открытия. 

      Догалактическая структура Вселенной. 

      Существует  две точки зрения на догалактическую  структуру Вселенной. С точки  зрения Я. В. Зельдовича, первыми  «отключались» от космологического   расширения   огромные   массы   вещества,  сравнимые   с         

                                                           1

массами скоплений и сверхскоплений галактик. Затем развивался процесс дробления этих масс и внутри них постепенно сформировалась вся иерархия астрономических систем.

      Другая  точка зрения предполагает возникновение  сначала каких – то более мелких тел, которые впоследствии скучиваются  и образуют тела большого масштаба. Такая идея развивалась Д. Пиблсом и Р. Дикке. Они предполагали, что первыми обьектами во Вселенной могли быть тела с массами около миллиона масс Солнца; постепенно обьединяясь, они образовывали галактики, а обьединение галактик давало их скопление.

      Идея  «большого взрыва», высказанная Д. Гамовым, связана с расширением Вселенной. Если Вселенная расширяется, то в прошлом плотность вещества в ней должна была быть очень велика. Большим плотностям вначале расширения могли соответствовать и высокие температуры. Тогда картина расширения напоминает как бы большой взрыв с разлетающимися осколками – галактиками.

      Немаловажная  роль принадлежит и Исааку Ньютону. Механизм формирования небесных тел  из однородно распределённого вещества действует у Ньютона благодаря  одному лишь тяготению; никакие другие силы, если они вообще имеются, этому не препятствуют. Однородная же гравитирующая среда не может находиться в покое – вот исходная мысль Ньютона. Среда не может покоиться, когда в ней действует ничем не уравновешенная сила тяготения, такое состояние неустойчиво.

      Идею  Ньютона попытался развить Д. Джинс. В книге  «Астрономия и  космогония» он ясно указывает, что  ключевой механизм формирования небесных тел – это гравитационная неустойчивость однородной среды. Фактором, препятствующим развитию гравитационной неустойчивости, является упругость среды: из – за сжатия в данном участке среды возрастает давление и сила давления, появляющаяся из – за разности давления в сгущении и в окружающей его среде, стремится расширить сгущение. Но силы давления уступают силам тяготения, если размер области уплотнения достаточно велик. Критический размер, при котором обе силы – тяготения и давления – сравнимы друг с другом, называют джинсовой длиной. Эта длина тем меньше, чем больше плотность среды, и тем больше, чем выше давление в ней. Давление отражает упругость среды, её способность противостоять сжатию, а от плотности среды зависит сила тяготения. То есть,  по его теории сжимаются ограниченные участки однородной среды; таких участков может быть сколько угодно, судьба каждого из них не зависит от остальных. Но вся бесконечная однородная среда покоится, такой покой невозможен – так как сила тяготения действует на всю среду в целом. И эта сила ничем не уравновешена.

      Как возникла эта однородная среда, даёт понятие теория гравитационной неустойчивости, развитая Лившицем. В этой теории изучено поведение слабых уплотнений и вообще любых малых возмущений в однородной расширяющейся   среде. 

                                                              2

      Постепенное отставание в расширении, торможение расширения в областях уплотнения приводит к тому, что в какой – то момент расширение этих областей вовсе  прекращается и они  «отключаются»  тем самым от общего космологического расширения. «Отключение» означает, что в областях уплотнения собственные скорости сравнялись по величине со скоростью регулярного расширения. А это означает, что слабые в прошлом возмущения превратились в сильные возмущения. 

      Образование галактик. 

      Обособление протогалактических сгущений происходило благодаря гидродинамическим процессам в газовом протоскоплении; дальнейшая эволюция протогалактик определялась прежде всего их собственным тяготением, которое и сжимало эти разрежённые облака до наблюдаемых размеров галактик. Гравитационному сжатию не мешают силы давления, так как газ протогалактики  легко охлаждается до температуры около десяти тысяч градусов. Давление, которое соответствует этой температуре, не способно противостоять общему тяготению всей протогалактики. Происходит явление, при котором частицы облака как бы свободно падают в их общем поле тяготения. Увеличение плотности облака в тысячу раз соответствует уменьшению его размера в 10 раз. Сжатие протогалактики длится около 3 млрд. лет. За это время происходит превращение газового облака в звёздную систему, которая затем уже не сжимается и находится в устойчивом, почти неизменном состоянии. Переход от сжатия к установившемуся стационарному состоянию связан с дроблением протогалактики на фрагменты, в которых начинается звёздообразование, развиваются сгущения. В протогалактике с массой в 100 млрд. масс Солнца, сравнимой с нашей галактикой, может иметься несколько десятков таких сгущений, представляющих собой крупные облака с массами до миллиарда масс Солнца и тысячи более мелких облаков.

      Вся совокупность облаков свободно падает к центру; кроме того имеются ещё  и собственные движения облаков, имеющие  хаотический характер. Собственные  движения облаков вызывают столкновения между ними. При столкновениях  материал облаков разогревается и сжимается. Затем происходит охлаждение, излучение уносит энергию из протогалактики наружу. Благодаря такому отводу энергии и происходит общее сжатие всей совокупности облаков.

      Кроме того немаловажную роль играет и вращение протогалактики. На начальных стадиях сжатия оно не совсем существенно, так как центробежные силы намного слабее сил тяготения. Но со степенью уменьшения размеров, по мере сжатия, вращение ускоряется. Возрастают центробежные силы. Эти силы не мешают сжатию вдоль оси вращения, но способны противодействовать силе тяготения в направлениях, поперечных к оси. По этой причине сжимающееся облако становится из почти сферическо-

                                                             3

го всё  более плоским, стремясь принять  форму диска, в котором сжатие по поперечным к оси вращения направлениям замедляется, а затем и вовсе прекращается, когда центробежная сила уравновешивает в этих направлениях силу тяготения.

      Эта же тенденция сохраняется и в  сжимающейся протогалактике. Сжатие её и приводит к образованию вращающегося диска. Так происходило формирование спиральных галактик, обнаруживающих быстрое вращение своих систем.

      Если  же вращение протогалактики с самого начала было очень слабым или вовсе  отсутствовало, то, соответственно и не было причин к формированию в них дисков. Общее сжатие протогалактики в этом случае вело к формированию сферической системы. Так происходило образование эллиптических галактик. 

      Строение  галактик. 

      Галактика включает в себя гало (галактическая корона), диск и ядро. Гало галактики состоит из газа, газовых облаков, очень старых неярких,  звёзд, как одиночных, так и собранных в шаровые скопления. Концентрируясь к центру галактики, они образуют балдж (утолщение) в пределах нескольких тысяч световых лет от него. Двигаясь по вытянутым эллиптическим орбитам, звёзды гало очень медленно обращаются вокруг центра галактики. Радиус гало достигает 300 тысяч световых лет. Как раз   этим радиусом и очерчиваются границы галактики.

      Диск  вращается намного быстрее гало. Скорость его вращения, определяемая скоростью движения звёзд, не одинакова на разных расстояниях от центра. Вблизи плоскости диска находится много молодых звёзд и звёздных скоплений не старше одного миллиарда лет. Газ в диске сосредоточен возле его плоскости.

      Ядро  галактики полностью скрыто толстым  слоем поглощающей материи. Для  него типична очень большая концентрация звёзд. В центральных областях ядра наблюдается газовый диск. Ближе  к центру находятся зоны ионизированного  водорода и многочисленные источники  рентгеновского и инфракрасного излучения, что свидетельствует об интенсивном процессе формирования звёзд. 

     Типы галактик. 

      Во  Вселенной имеется большое число  звёздных систем – галактик. Они  имеют самую разнообразную форму облака – структуру. Однако можно выделить несколько основных видов структур или типов галактик. Это спиральные (S) , эллиптические (E) и неправильные (Ir).

      Спиральными называют галактики, обладающие дисковой подсистемой со спиральным  узором. Они  состоят из   ядра и  нескольких спиральных

                                    4

рукавов или ветвей. В обычных спиральных галактиках (тип S) ветви выходят непосредственно из ядра. В спиральных галактиках с перемычкой (тип SB) ядро пересекается вдоль диаметра поперечной полосой из звёзд – перемычкой (баром), от концов которой начинаются спиральные рукава. В зависимости от степени развития рукава галактики (S) и (SB) делятся на подклассы Sa, Sb и Sc. У галактик подкласса Sa спиралей почти не видно, а у галактик подкласса Sc всё вещество сосредоточено в спиральных рукавах.     Ближайшей к нам спиральной галактикой является Туманность Андромеды.

     Кроме спиральных, существуют эллиптические, которые по своему строению и звёздному  населению подобные сферической  подсистеме нашей галактики. В них  практически нет молодых ярких звёзд. Самые крупные из них имеют массу и светимость в 10 раз больше, чем наша галактика. Однако можно отметить и карликовые эллиптические галактики с массами и светимостями в десятки тысяч раз меньше нашей галактики. Эллиптические галактики, особенно самые массивные имеют ядра, которые по своим проявлениям больше и активнее ядер спиральных галактик. Их делят на 8 подтипов: от EO (круговой обьект) до Е7 (обьект существенно сплющен).

      Промежуточными  между галактиками Е и S являются линзовые галактики (подтип SO), яркость которых от центра к краю изменяется скачками. 

     Ещё одним типом галактик являются неправильные. Их массы и светимости во много  раз меньше, чем у нашей галактики. Звёздный состав их подобен населению дисков спиральных галактик. Но эти звёзды не образуют регулярной структуры.

      Эти три типа галактик впервые были обнаружены и изучены Э. Хабблом и другими  астрономами в 20 – 30 г.г. С тех пор стали известны галактики и иных типов, которые не укладывались в первоначальную классификацию. Это относится к галактикам с активными ядрами и сильным радиоизлучением. К представителям такого типа можно отнести квазары. В них звёздная составляющая практически не обнаруживается. Она либо  вообще отсутствует, либо,  что более вероятно, имеется, но незаметна на фоне огромной светимости ядра. Светимость ядра в этом случае в десятки тысяч раз больше светимости нашей галактики. Следует отметить, что радиоизлучение квазаров почти равняется их  оптическому  световому,  а  ин-