С древнейших времен людей интересовало, что же находится за
горизонтом, и они отправлялись исследовать далекие и незнакомые
земли. По мере того как Земля открывала человеку большинство
своих белых пятен, астрономы стали выходить в область новых и не
исследованных территорий за пределами нашей маленькой планеты. Сегодня исследователи Вселенной, используя современные
телескопы и ЭВМ, продвигаются в направлении всё больших
расстояний в поисках предела Космоса - последней его границы.
Столетия мы были узниками Солнечной системы, считая
звезды просто украшениями сферы, расположенной за планетами.
Потом человек признал в этих крошечных светящихся точках
другие солнца, настолько далекие, что их свет идет до Земли многие
годы. Казалось, что космос населен редкими одинокими звездами,
и ученые спорили о том, простирается ли звездное население
в пространстве неограниченно или же за некоторым пределом
звезды кончаются и начинается пустота. Проникая все дальше
и дальше, астрономы нашли такой предел, и оказалось, что наше
Солнце - одна из огромного числа звезд, образующих систему под
названием Галактика. За границей Галактики была тьма.
XX век принес новое открытие: наша Галактика-это еще
не вся Вселенная. За самыми далекими звездами Млечного
Пути находятся другие галактики, похожие на нашу и простирающиеся в пространстве до пределов видимости наших крупнейших телескопов. Грандиозные звездные системы-одни
из самых потрясающих и наиболее изучаемых современной астрономией объектов, и именно о них пойдет речь в этой книге.
Млечный Путь-весьма характерный представитель своего
типа галактик-столь огромен, что свету требуется более 100
тысяч лет, чтобы со скоростью 300 000 километров в секунду
(670 миллионов миль или 2 миллиарда километров в час)
пересечь Галактику от края до края. Земля и Солнце находятся
на расстоянии около 30 тысяч световых лет от центра Млечного
Пути
(1). Если бы мы попытались послать сообщение гипотетическому существу, проживающему вблизи центра нашей Галактики, то ответ получили бы
не раньше, чем через 60 тысяч лет.
Сообщение же, посланное со скоростью самолета (600 миль или
1000 километров в час) в момент рождения Вселенной, к настоящему времени прошло бы лишь половину пути до центра
Галактики, а время ожидания ответа составило бы 70 миллиардов лет.
Некоторые галактики гораздо крупнее нашей. Диаметры
самых больших из них - обширных галактик, излучающих огромное количество энергии в виде радиоволн, как, например, известный объект южного неба-Центавр А,
в сто раз превосходят диаметр Млечного Пути. С другой стороны, во Вселенной много сравнительно небольших галактик. Размеры карликовых эллиптических галактик
(типичный представитель находится в созвездии Дракона) составляют всего около 10 тысяч световых лет. Разумеется, даже эти
неприметные объекты почти невообразимо огромны:
хотя галактику в созвездии Дракона можно назвать карликовой, ее диаметр превосходит 100 000 000 000 000 000 миль или
160 000 000 000 000 000 километров.
Хотя космос населяют миллиарды галактик, им совсем не
тесно: Вселенная достаточно огромна, чтобы галактики могли
удобно в ней разместиться, и при этом еще остается много
свободного пространства. Типичное расстояние между яркими
галактиками составляет около 5-10 миллионов световых лет;
оставшийся объем занимают карликовые галактики. Однако
если принять во внимание их размеры, то оказывается, что
галактики относительно гораздо ближе друг к другу, чем, например, звезды в окрестности Солнца. Диаметр звезды пренебрежимо мал по сравнению с расстоянием
до ближайшей соседней звезды. Диаметр Солнца всего около миллиона миль или
1,5 миллиона километров, в то время как расстояние до ближайшей к нам звезды в 50 миллионов раз больше.
Для того чтобы представить огромные расстояния
между галактиками, мысленно уменьшим их размеры до роста
среднего человека. Тогда в типичной области Вселенной "взрослые" (яркие) галактики будут находиться в среднем на расстоянии 300 футов или 100 метров друг от друга, а между
ними расположится небольшое число детей. Вселенная напоминала бы обширное поле для игры в бейсбол с большим
свободным пространством между игроками. Лишь в некоторых
местах, где галактики собираются в тесные скопления.
наша масштабная модель Вселенной похожа на городской
тротуар, и уж нигде не было бы ничего общего с вечеринкой
или вагоном метро в час пик. Если же до масштабов человеческого роста уменьшить звезды типичной галактики, то местность получилась бы чрезвычайно малонаселенная:
ближайший сосед проживал бы на расстоянии 60 тысяч миль или 100
тысяч километров - около четверти расстояния от Земли до
Луны.
Из этих примеров должно стать ясно, что галактики довольно редко разбросаны во Вселенной и состоят, в основном,
из пустого пространства. Даже если учесть разреженный газ,
заполняющий пространство между звездами, то все равно средняя плотность вещества оказывается чрезвычайно малой. Мир
галактик огромен и почти пуст.
ТИПЫ ГАЛАКТИК
Галактики во Вселенной не похожи друг на друга. Некоторые из них ровные и круглые, другие имеют форму уплощенных
разметавшихся спиралей, а у некоторых не наблюдается почти
никакой структуры. Астрономы, следуя пионерской работе Эдвина Хаббла, опубликованной в 20-х годах, подразделяют
галактики по их форме на три основных типа: эллиптические, спиральные и неправильные, обозначаемые соответственно Е, S и Irr.
Эллиптические галактики характеризуются в целом эллиптической формой и не имеют никакой другой структуры, кроме
общего падения яркости по мере удаления от центра. Падение
яркости описывается простым математическим законом, который открыл Хаббл. На языке астрономов это звучит так:
эллиптические галактики имеют концентрические эллиптические
изофоты, т. е. если соединить одной линией все точки изображения галактики с одинаковой яркостью и построить такие линии
для разных значений яркости (аналогично линиям постоянной высоты на топографических картах), то мы получим ряд вложенных
друг в друга эллипсов примерно одинаковой формы
и с общим центром.
Подтипы эллиптических галактик обозначаются буквой Е,
за которой следует число n, определяемое по формуле
n=10(a-b)/a,
где а и b - это соответственно большая и малая полуоси какой-либо
изофоты галактики. Таким образом, эллиптическая галактика
круглой формы будет отнесена к типу ЕО, а сильно
сплюснутая может быть классифицирована как Е6 (фото
I и
II;
фотографии в книге объединены в
отдельный блок).
У спиральных галактик хорошо заметно плоское спиральное распределение яркости вокруг утолщенного ядра.
Идеальные спиральные галактики имеют две спиральные ветви (рукава). исходящие либо прямо из ядра, либо из двух концов бара
(перемычки), в центре которого расположено ядро. Этот признак позволил разделить спиральные галактики на два
основных подтипа: нормальные спиральные галактики (S) и пересеченные спиральные галактики (SB). Нормальных спиральных
галактик во много раз больше, чем пересеченных. Дальнейшее
разделение спиральных галактик на подтипы проводится по
следующим трем критериям: 1) относительной величине ядра
по сравнению с размерами всей галактики: 2) по тому, насколько сильно или слабо закручены спиральные ветви и
3) фрагментарности спиральных ветвей.
К типу Sa (или SBa) относят галактики с очень обширной
ядерной областью и сильно закрученными спиральными (почти
круговыми) ветвями-непрерывными и гладкими, а не фрагментарными. 1алактики Sb и SBb имеют относительно небольшую ядерную
область при не очень сильно закрученных спиральных ветвях, которые разрешаются на отдельные яркие
фрагменты. Галактики типа Sc (и соответствующие им пересеченные галактики) характеризуются сильно фрагментированными обрывочными спиральными рукавами (см.
рис. 1 и фото
III-IX). У галактик SBc даже бар разрешается на отдельные
фрагменты.
У всех спиральных галактик ядро представляет собой яркую
область, обладающую многими признаками эллиптической галактики. Закон падения яркости, открытый Хабблом для
эллиптических галактик, оказался справедливым и для центральных
ядерных областей спиральных галактик и поэтому эти области
иногда называют "эллиптическим компонентом".
К неправильным галактикам Хаббл отнес все объекты, которые не удавалось причислить ни к эллиптическим, ни к
спиральным. Большинство неправильных галактик очень похожи друг
на друга, чрезвычайно фрагментарны и в них можно различить
отдельные наиболее яркие звезды и области горячего излучающего газа. Некоторые неправильные галактики имеют
хорошо заметный бар и у многих из них можно различить обрывки
структуры, напоминающей фрагменты спиральных рукавов. По
мнению Хаббла, этот тип неправильных галактик (названный
им Irr 1) является крайним продолжением типа спиральных
галактик - у таких объектов рукава столь фрагментарны и обрывочны, что их уже нельзя назвать спиральными (см. фото
X).
Другие необычные галактики, отнесенные в исходном варианте хаббловской классификации к неправильным, похоже,
никак не связаны с более привычными неправильными объектами - из-за неправильной формы, наличия большого количества
пыли или других аномалий (см. фото
IX). Эти объекты были
объединены в тип Irr II, но в ходе последующих пересмотров
хаббловской классификации многие из них были отнесены
к другим типам. Например, галактики с плоским диском, напоминающим диски спиральных галактик, но без спиральных
ветвей, были объединены в тип SO (см. фото
XII и
XIII).
Некоторые галактики до сих пор не удается классифицировать,
и многие из них, как оказалось в дальнейшем, либо представляют собой взаимодействующие пары, либо являются местом
бурных процессов.
КЛАССЫ СВЕТИМОСТИ
В 1960 г. Сидней ван ден Берг обнаружил на фотографиях
спиральных галактик ряд морфологических признаков, позволяющих классифицировать галактики по их светимости. Классификация Хаббла выстраивает
галактики в ряд по степени преобладания и контраста спиральной структуры, а критерии светимости ван ден
Берга как бы расслаивают их в перпендикулярном направлении.
Спиральная галактика определенного хаббловского типа (например, Sc-с яркими слабо закрученными и контрастными
рукавами) может быть отнесена к любому из классов ван ден Берга - от
1 до IV. При этом чем меньше номер класса, тем больше
светимость соответствующей галактики. Калибровка по галактикам с известной светимостью показала, что объекты 1 класса
имеют примерно в 5 раз большую светимость, чем объекты IV
класса того же хаббловского типа. Хотя классификация ван ден
Берга носит качественный характер, многие астрономы, основываясь на результатах тестовых исследований, говорят о возможности
ее применения для получения количественных оценок светимостей, свободных от систематических погрешностей.
ПОЧЕМУ ГАЛАКТИКИ РАЗНЫЕ
Еще со времен Хаббла астрономы пытались установить,
под действием каких процессов галактики принимают ту или
иную форму. В некоторых из ранних теорий предполагалось,
что разные типы галактик представляют собой эволюционную
последовательность. Считалось, что галактики возникают как
объекты одного типа и постепенно в ходе эволюции превращаются в объекты другого типа. Согласно одной из таких гипотез,
галактики начинают свой эволюционный путь как эллиптические, потом у них развивается спиральная структура и, наконец,
эта структура распадается и объект превращается в хаотическую неправильную галактику. Другие астрономы предполагали
противоположное направление эволюции: галактики возникают
как неправильные, закручиваясь, превращаются в спиральные
и завершают свою эволюцию в простой и симметричной эллиптической форме. В основе обеих теорий была гипотеза о том,
что тип галактики связан с ее возрастом. Ни одна из теорий не
опиралась на какой-либо физический фундамент и обе были
опровергнуты многолетними исследованиями. Как только астрономы поняли процесс звездной эволюции и научились
определять возраста звезд (это стало возможно в 50-х годах), оказалось, что галактики всех типов имеют примерно одинаковый
возраст. Почти в каждой галактике присутствует хотя бы несколько звезд с возрастом в несколько миллиардов лет. Отсюда
следует, что ни эллиптические, ни неправильные галактики не
могут быть старше остальных.
Однако эллиптические галактики состоят почти исключительно из старых звезд, в то время как галактики других хаббловских
типов содержат относительно больше молодых звезд. Таким
образом, хаббловская последовательность все же имеет некоторое
отношение к возрастам. По-видимому, форма галактики связана
со скоростью образования в ней новых молодых звезд уже после
ее рождения, а следовательно, и с распределением звезд по
возрастам. В эллиптических галактиках очень мало звезд возникло после стадии образования галактики и поэтому мы наблюдаем
здесь ничтожное количество молодых звезд. В галактиках типа Sa
звезды продолжают образовываться до сих пор, но скорость этого
процесса невелика, в галактиках типа Sb темп звездообразования
выше, галактики типа Sc очень активны, а наиболее бурно
звездообразование протекает в галактиках типа Irr 1.
Эти результаты навели исследователей на мысль о том, что
последовательность хаббловских типов упорядочивает галактики по степени сохранения ими газа и пыли: неправильные
галактики сберегли большую часть своего газа и своей пыли
для постепенного рождения все новых и новых звезд, в то время
как эллиптические галактики израсходовали почти весь свой
исходный газ на первую взрывную вспышку звездообразования.
Но как различие в количестве сохранившегося газа и пыли
привело к столь сильно отличающимся формам? Этот вопрос
будет рассмотрен в
главе 3, посвященной рассмотрению процесса образования галактики. Согласно современным
представлениям (теперь уже подтвержденным результатами всевозможных
исследований) два важнейших фактора, определяющих форму
галактики, это, во-первых, начальные условия (масса и момент вращения) и, во-вторых, окружение (т. е. членство в
скоплении или наличие близких спутников). В этом отношении
галактика похожа на человека: ее характер зависит как от наследственности, так и от общества, в котором она "вращалась".