Как появляются крупные галактики? «Происхождение и эволюция галактик». Глава из книги
Галактика - это огромное скопление звёзд. Весь обозримый с Земли космос состоит из таких образований, в каждом из которых насчитываются миллиарды светил. Это как бы сияющие острова в бескрайней чёрной бездне. Все эти "острова" имеют сплюснутую к краям форму. То есть в центе наблюдается утолщение, а к краям звёздное скопление утончается. Звёздные "острова" располагаются на разном расстоянии друг от друга. Наиболее близкие объединяются в группы. Такие группы называются сверхскоплениями галактик .
К примеру, планета Земля входит в Солнечную систему . Та, в свою очередь, является составной частью Млечного пути , а тот считается частью Сверхскопления Девы . В это гигантское образования входят также Туманность Андромеды и галактика Треугольника. Это огромные звёздные гиганты. А помимо них существуют небольшие звёздные островки, которых на сегодняшний день насчитывается около 60. Все они принадлежат к местной группе, а всего в Сверхскопление Девы входит около 2 тыс. галактик. Пересечь из конца в коней это звёздное изобилие можно за 200 млн. световых лет.
Классификация галактик
Все, без исключения, галактики классифицируются по видам. Насчитывается их четыре: эллиптические (Е), линзообразные (SO), спиральные (S), неправильные (Ir).
Эллиптические имеют сферическую структуру с заметно уменьшающейся к краям яркостью. Между собой они различаются по степени сжатия. Чем она выше, тем быстрее скорость вращения. Примечательной чертой является отсутствие пылевых облаков. Из космоса они обычно видны в виде тёмных полос и пятен.
Спиральные состоят из ядра (балджа) и рукавов, которые представляют собой плотные скопления звёзд. Между ними простираются газопылевые облака, а также наблюдаются плотные скопления газа и звёзд. Данные образования имеют форму диска и окружены светящейся сферой (гало). Представляет она собой разреженный газ, звёзды и тёмную материю. Скорость вращения таких галактик высокая. В них наблюдаются активные процессы звёздообразования. Млечный путь относится именно к этим звёздным скоплениям. В одном из его рукавов (рукав Ориона) вращается наше Солнце.
Линзообразные напоминают спиральные. У них есть балдж, но отсутствуют рукава. Таких образований в видимой части космоса насчитывается порядка 15%. Со стороны они выглядят как яркое утолщение, окружённое слабо сияющим плоским ореолом.
Неправильные представляют собой продукт деформации спиральных либо эллиптических галактик. Огромные силы гравитации придали им хаотичную форму, в которой невозможно обнаружить чётко выраженное ядро и рукава. Наблюдается большое скопление газопылевых облаков. Таких звёздных скоплений насчитывается порядка 25% от общего числа ярких космических «островов».
Масса галактики и тёмная материя
Масса галактики складывается из массы миллиардов звёзд, газопылевых облаков и гало. Основной вес гало составляет тёмная материя . Это загадочная сущность, которая содержит в себе гипотетические космические объекты. Их масса составляет 95% всей массы Вселенной. На их невидимое присутствие указывает гравитация. То есть тёмная материя воздействует на видимые человеческим глазом светила.
Выражается это в неестественно высокой скорости движения звёзд, расположенных у края галактического диска. Создаётся впечатление, что их ускоряет какая-то неведомая сила. А породить её может только большая масса. Стало быть, она существует, но у неё никак не проявляется электромагнитное излучение. Поэтому нет ни гамма-излучения, ни ультрафиолета, ни инфракрасного излучения, ни видимого света. Есть только сплошная чернота, которую и воспринимает человеческий глаз. Тёмная материя характерна для всех видов галактик. Различается она лишь по процентному соотношению к светящейся массе.
Огромные газопылевые облака являются теми зонами, в которых рождаются новые звёзды. Некоторые из этих облаков имеют высокую температуру, поэтому их хорошо видно в телескопы. К примеру, в созвездии Ориона существует гигантская туманность, которую видно даже невооружённым взглядом. А вот холодные газопылевые образования поглощают свет, поэтому смотрятся как чёрные провалы среди сияющих мириад звёзд.
Распределение звёзд, а стало быть, светимости и массы в звёздных скоплениях неравномерное. В центре плотность максимальная, а ближе к краям она падает. Существуют шаровые скопления звёзд, диаметры которых составляют сотни световых лет. Постоянно вспыхивают сверхновые звёзды. Много чёрных дыр, которые образуются в основном на месте погасших массивных звёзд. Например, в Млечном пути их насчитывается около 100 млн.
Возникновение галактик и их эволюция
Как возникают галактики ? Вначале существует первичное вещество или гигантское газопылевое облако. В нём под действием динамических процессов, обусловленных силами гравитации, происходит выделение галактических групп. Эти группы начинают сжиматься и постепенно превращаются в звёздные системы. Сами звёзды также образуются за счёт сжатия облаков газа и пыли.
Растёт плотность и температура. Наконец, они повышаются до такой степени, что начинается термоядерная реакция. Так на небе возникает звезда или солнце. Звёзды бывают первого, второго и третьего поколения. В звёздах первого поколения наблюдается высокое содержание водорода и гелия. А вот примесей тяжёлых элементов мало. В звёздах второго поколения концентрация тяжёлых элементов более существенная, так как они образуются позже из того газа, который уже обогащён тяжёлыми элементами.
Звёзды рождаются, а галактика сжимается. Она приобретает рукава, в которых продолжается процесс образования солнц. Это уже возникают звёзды третьего поколения. Именно к ним принадлежит и наше родное Солнце.
Наконец, звёздное скопление приобретает спиральную форму, а запасы газопылевых облаков начинают истощаться. Проходят миллиарды лет, и спиральная форма меняется на линзообразную, так как запасы газа и пыли исчерпываются. Поэтому рукава исчезают, а свечение звёзд становится слабым.
По своему возрасту галактики соответствуют возрасту Вселенной, а та, как известно, расширяется. Возраст её оценивается в 13,5 млрд. лет, а её существование началось после Большого Взрыва. Именно, благодаря ему, и образовалось большинство космических объектов.
Чем же завершится расширение нашего космического пространства ? Здесь существует два прогноза. В первом случае расширение через какое-то время закончится, и силы притяжения начнут стягивать звёздные системы обратно в кучу. Когда всё вещество Вселенной соберётся вместе, то опять последует Большой Взрыв, и родится новая Вселенная. Во втором случае гигантские скопления звёзд будут разбегаться вечно.
А где заканчивается Вселенная ? Здесь можно привести аналогию с Землёй. Двигаясь всё время в одну сторону, можно вернуться в начальную точку. То же самое, по всей видимости, происходит и в космосе. Только изогнуто в нём само пространство. Поэтому края, как такового, нет.
Существует ли разумная жизнь в других звёздных системах ? Во Вселенной триллионы звёзд, а возле них вращаются планеты. Вполне возможно, что на некоторых из них существует жизнь, аналогичная земной. Но, учитывая гигантские расстояния, обнаружить очаги разума очень сложно. Так что остаётся надеяться только на Его величество случай.
Может быть, "попутный ветер" занесёт представителей высокоразвитой цивилизации на просторы Млечного пути, да ещё и в рукав Ориона. Вот тогда земляне и увидят пришельцев во всём их первозданном великолепии. Это будет самое величайшее событие в истории человечества.
Cтатью написал Александр Щербаков
Жизни Возникновение и эволюция галактик Возникновение млекопитающих Возникновение христианства См. также Происхождение Инициализация Зарождение … Википедия
Космология Возраст Вселенной Большой взрыв Содвижущееся расстояние Реликтовое излучение Космологическое уравнение состояния Тёмная энергия Скрытая масса Вселенная Фридмана Космологический принцип Космологические модели Формирование гала … Википедия
Сталкивающиеся спиральные галактики NGC 3808A и NGC 3808B (Arp 87). Фото телескопа Hubble … Википедия
Активные ядра галактик ядра галактик, наблюдаемые процессы в которых нельзя объяснить свойствами находящихся в них звезд и газово пылевых комплексов. Активная гигантская эллиптическая галактика M87. Из центра галактики вырывается … Википедия
Морфологическая классификация галактик система разделения галактик на группы по визуальным признакам, используемая в астрономии. Существует несколько схем разделения галактик на морфологические типы. Наиболее известная была предложены… … Википедия
- (Сверхскопление Девы) система галактик размером около 200 млн. св. лет, включающая Местную группу галактик, скопление галактик в Деве и несколько других скоплений и групп галактик. Всего в состав Местного сверхскопления входят 100… … Википедия
Вселенная в пределах 1 млрд световых лет (307 Мпарсек), показывающая ближайшие сверхскопления Сверхскопление галактик многочисленные группы галак … Википедия
Hubble Ultra Deep Field показывает более чем 10 000 галактик в 0,000024 % неба … Википедия
Ниже приводится список известных галактик в пределах 3,6 мегапарсек (11,7 млн световых лет) от Земли в порядке удалённости от Земли (см. примечание ниже). 3,6 Мпк это расстояние до центра ближайших двух больших групп галактик: Группы… … Википедия
Скопления галактик гравитационно связанные системы галактик, одни из самых больших структур во вселенной. Размеры скоплений галактик могут достигать 108 световых лет. Скопления условно разделяются на два вида: регулярные скопления… … Википедия
Книги
- Частотно-волновая стратегия природы. Формула жизни , Б. М. Мартынов. В настоящей книге содержится исследование, касающееся некоторых актуальных проблем физики и биологии. В ней представлен альтернативный взгляд на основные категории физики и философии, такие…
В последние десятилетия у астрономов сложилось устойчивое представление об эволюции ранней Вселенной и появлении первых звёзд и галактик. Через 370 000 лет после Большого взрыва температура расширяющегося универсума упала до такой степени, что протоны и электроны смогли начать образование нейтральных атомов. Так возник ещё неионизированный газ, поглощавший излучение, - эпоха, которую принято называть «тёмными веками».
Вначале такой газ был почти идеально равномерно распределён в пространстве. Но затем гравитация усиливала неравномерности в его распределении, и всего через несколько сот миллионов лет газ приступил к формированию первых звёзд, из которых появятся и первые галактики:
Излучение первого поколения светил ионизировало остальной газ Вселенной, доведя её примерно до той стадии, в которой мы сейчас живём. Так закончились «тёмные века»...
На самом деле, понять, что происходит после начала образования звёзд и до окончания «тёмных веков», довольно трудно. Их формирование запустило цепочку очень сложных для моделирования процессов: разогрев и остывание облаков газа, взрывы сверхновых, поглощение материи первыми чёрными дырами, мощнейшие звёздные ветры... Слишком много факторов стало влиять на картину, чтобы её можно было назвать до конца ясной.
Лучше понять происходившее помогали наблюдения. И в 2009 году астрономам казалось, что такие наблюдения уже начались. При помощи снимков, сделанных «Хабблом», были найдены сначала пара десятков, а затем и более тысячи очень ранних галактик, многие из которых относились к первому миллиарду лет после Большого взрыва. Очевидно, они должны были содержать молодые звёзды голубого цвета, и, кажется, именно их отыскали учёные, анализировавшие те снимки. Но несколькими годами позже группа под руководством Ричарда Эллиса (Richard Ellis) из Калифорнийского технологического института в Пасадене (США) предприняла ещё одни наблюдения части таких галактик, воспользовавшись дополнительным цветовым фильтром, с общим временем экспозиции, равным 23 суткам...
...И убедилась, что фактически звёзды этих галактик были краснее, чем показали исследования по снимкам 2009 года. Много краснее! Галактики, появившиеся через 560–780 млн после Большого взрыва, оказались состоящими из звёзд возрастом в 100–200 млн лет. Когда в начале 2013 года эти данные стали доступны астрономической общественности, посыпались недоумённые вопросы. Дело в том, что одновременно была опубликована информация, свидетельствовавшая: реионизация началась лишь через 250 млн лет после Большого взрыва, а закончилась (для водорода) через 1 млрд лет. До реионизации звёздный свет не мог свободно распространяться по Вселенной. Но накопленные данные по самым древним галактикам той поры просто не давали к этому оснований!
По всем расчётам, видимого их количества не должно было хватить для проведения реорганизации: слишком мало излучения они давали. Очевидно, заключили Ричард Эллис и его коллеги, есть ещё много галактик, кои мы по тем или иным причинам пока не видим. «Теперь мы знаем, что существует целая популяция малых галактик, относящаяся к ещё более ранним временам, чем те, что доступны «Хабблу», - уверен астроном. Отсюда следует, что они должны были появиться ранее 560 млн лет после Большого взрыва, что очень странно: когда же газ успел сформироваться в первые протозвёздные облака?
Есть и другие вопросы. Первые звёзды, согласно сегодняшними теориям, имели в своём распоряжении едва ли не один только водород и лишь немного гелия, то есть их масса должна была в сотню раз превышать солнечную, иначе термоядерные реакции без более тяжёлых веществ, служащих «катализаторами», просто не начались бы.
Время жизни таких гигантов не должно было превышать 2 млн лет, после чего они неминуемо исчезали во взрывах сверхновых. Но вот беда: получается, что такие взрывы именно в ту эпоху происходили с прямо-таки бешеной частотой, что сказывалось бы на облаках межзвёздного газа, образовывавших новые светила. А ведь им и так в бог весть какие сжатые сроки нужно было образовать галактики - быстрее, чем за полмиллиарда лет после Начала Всего. Очевидно, одна часть этой картины прямо противоречит другой: звёзды первого поколения никак не могли позволить быстрого формирования новых светил и галактик.
Как отмечает теоретик Фолькер Бромм (Volker Bromm) из Техасского университета в Остине (США), если галактики, существовавшие через полмиллиарда лет и уже наблюдавшиеся «Хабблом», имеют звёзды, которым от ста миллионов лет и больше, то очевидно, что между смертью первого поколения звёзд и формированием второго должно пройти или чрезвычайно малое время, или... нулевое время. Более того, полагает он, эти два поколения частично могли даже одновременно существовать.
Итак, история Вселенной, похоже, отпустила ей слишком мало времени на образование первых звёзд и галактик. Так что целостное видение эволюции ранней Вселенной, существовавшее до наблюдений «Хаббла», впервые поставлено под сомнение.
Правда, к концу этого года радиоинтерферометр ALMA, работающий в миллиметровом диапазоне (в который благодаря красному смещению попадает ИК-излучение газовых облаков ранней Вселенной), введёт в строй достаточно своих элементов, чтобы увидеть следы галактик, существовавших всего через 425 млн лет после Большого взрыва. И если это так, наше понимание природы первых звёзд и галактик ожидают существенные сдвиги.
Подготовлено по материалам Nature News.
Если планета Земля – наш «дом», а Солнечная система – «страна», то галактику Млечный путь можно сравнить с «материком». Размеры нашего «материка» поражают воображение: лучу света, чтобы долететь от одного края этого грандиозного диска до другого, требуется 100 000! В километрах это будет один квинтиллион. Счёт звёзд идёт на сотни миллиардов (точно не известно, но предположительно – от 200 до 400 миллиардов). Все эти звёзды – вместе с межзвёздным газом – вращаются вокруг галактического центра, где, по мнению учёных, располагается сверхмассивная чёрная дыра.
Кажется, что это великолепие существует вечно… но ведь по современным научным представлениям, даже сама Вселенная имела начало во времени, следовательно, у нашей Галактики тоже есть вполне определённый возраст. Судя по количеству межзвёздного газа (которого осталось сравнительно немного), она не намного моложе Вселенной: приблизительно 12 миллиардов лет. Как же она родилась?
В начале была протогалактика – огромное газовое облако, гораздо больше по размерам чем та, галактика, которую мы имеем сейчас. Состояло оно из самых лёгких элементов, чьи атомы возникли первыми в горниле Большого взрыва – водорода и гелия (водород – 75%, гелий – 25%). Облако это медленно вращалось, а сила гравитации тем временем сжимала его – и так продолжалось три миллиарда лет, пока под воздействием этих сил облако не потеряло свою однородность, оно стало распадаться на части, образуя более плотные скопления вещества.
Эти скопления подчинялись тем же законам – они вращались и сжимались, а сжимаясь – разогревались. В конце концов, их плотность и температура достигла такой степени, что под воздействием того и другого атомы водорода и гелия начали сливаться друг с другом, образуя другие атомы и выделяя энергию – т.е. начался термоядерный синтез. Так родились звёзды первого поколения, состоящие исключительно из водорода и гелия, поскольку не было больше ничего – т.е. обладали минимальной металличностью (в астрономии металлами называются все химические элементы тяжелее гелия).
Эти звёзды-первопроходцы были более массивными и более горячими, чем современные, а чем массивнее звезда – тем меньше она живёт и тем ярче «умирает», взрываясь мощной вспышкой сверхновой. При этом в окружающее космической пространство выбрасываются все те химические элементы, которые возникли в ходе термоядерного синтеза. Таким образом звёзды первого поколения своей жизнью и смертью обогатили хтмический состав протогалактики, и звёзды второго поколения обладали уже более высокой металличностью – т.е. содержали примеси других химических элементов.
Тем временем тот газ, который ещё не был «израсходован» на звездообразование, продолжал вращаться, стягиваясь к центру, образуя диск – вот в этом диске и родились звёзды второго поколения. Их становилось всё больше, и в конце концов они своей кинетической энергией уравняли энергию гравитационного взаимодействия, сжатие прекратилось. Тогда возникли области более плотного газа – те самые рукава, из-за которых нашу Галактику и подобные ей называют спиральными. Там продолжалось звездообразование, порождающее звёзды третьего поколения – с ещё более высокой металличностью (одна из них – наше Солнце).
Вот так галактика Млечный путь приобрела современный вид. Что ждёт её в будущем? По мере звездообразования «запасы» межзвёздного газа будут и дальше истощаться, и через несколько миллиардов лет он будет израсходован весь. Новые звёзды рождаться уже не будут, имеющиеся состарятся, дойдя до состояния красных звёзд и белых карликов, а Галактика из спиральной превратится в линзовидную.
Впрочем, нас ожидает и ещё одно примечательное событие – столкновение с галактикой Туманность Андромеды. Только не надо представлять это как «конец света» – две галактики сольются в одну (для неё даже название придумали – Милкомеда), причём процесс этот будет происходить так медленно, что люди на Земле ничего и не заметят. Единственное, что может случиться – так это то, что Солнце вместе с планетами выбросит за пределы новой галактики, и станет оно межгалактическим блуждающим объектом. Но структура Солнечной системы при этом сохранится, так что на Землю опять же заметного влияния не окажет – вот только наше прекрасное звёздное небо пропадёт… Впрочем, возможно, это уже не будет иметь значения: Солнце, превратившееся в красный гигант, к тому времени уничтожит всё живое на Земле.
Но в наблюдениях мы видим и прослеживаем структуры во Вселенной именно через исследование галактик.
Поэтому наблюдательное исследование эволюции Вселенной - это исследование эволюции галактик. Такой «экстремистский» тезис я буду доказывать, обосновывать, иллюстрировать на протяжении всей этой книги.
Исследование эволюции галактик сейчас переживает бурное развитие в связи с развитием техники астрономических наблюдений. Теория пока не поспевает за наблюдательными открытиями, поэтому ключевые концепции приходится пересматривать достаточно часто.
Я расскажу о текущем состоянии дел и немного о перспективных - весьма вероятных будущих изменениях в общепринятых взглядах на эволюцию галактик и, соответственно, на эволюцию всей Вселенной.
Три кита, на которых стоит теория эволюции галактик
Все исследования формирования и эволюции галактик опираются прежде всего на физическую модель. Хотя в перспективе это должна быть единая, самосогласованная модель, но исторически сложилось так, что до сих пор практически независимо рассматривается три класса физических механизмов, формирующих и изменяющих структуру и наблюдаемые характеристики галактик - их размер, блеск, цвет, внутренние движения. Эти три класса механизмов - три кита, на которых покоятся (или, напротив, быстро изменяются) наши представления об эволюции галактик, - следующие:
Динамическая эволюция,
-спектрофотометрическая эволюция,
-химическая эволюция галактик.
В классическом варианте теории динамическая эволюция понималась прежде всего как ранняя стадия эволюции, относящаяся собственно к формированию галактики. Эта традиция объяснялась тем, что большинство галактик вокруг нас выглядят как динамически устойчивые, прорелаксировавшие системы; судя по всему, в них выполняется теорема вириала, 2T + U = const, где T - кинетическая энергия системы, а U - ее потенциальная энергия. Поэтому сначала предполагалось, что бурные динамические процессы, оформившие в основном структуру галактик, относились к первому миллиарду лет их жизни, к эпохе коллапса протогалактического газового облака и основного звездообразования в нем.
А позже динамические эффекты лишь слегка изменяли структурные характеристики: например, из-за увеличения хаотических скоростей старых звезд («динамический нагрев») могли утолщаться диски галактик.
В последние десятилетия общее мнение о важности динамических процессов в структурной эволюции современных галактик стало радикально меняться. Прежде всего, зрелищный феномен взаимодействия галактик, хотя и достаточно редкий в нашу эпоху, все же навел астрономов на мысль, что галактики могут сливаться, а в давние времена, когда плотность вещества в расширяющейся Вселенной была выше, чем сейчас, и частота слияний тоже могла быть выше. Эту идею сейчас подхватили и успешно эксплуатируют космологи; согласно их сценариям, вся эволюция галактик - это череда последовательных слияний. Между тем, конечно, слияния («мержинг», как говорят западные коллеги) - это динамические катастрофы, которые полностью перестраивают галактику и дают начало ее новой жизни.
Кроме катастроф, могут существовать и плавные, монотонные, но тем не менее существенные изменения в структуре галактик под действием разного рода динамических неустойчивостей; такие изменения называют «вековой эволюцией».
В последнее время все более популярной становится идея о том, что даже такие глобальные структуры в галактиках, как бары (центральные перемычки), которые дали Хабблу основание выделить особую ветвь морфологической классификации галактик, SB-ветвь, на самом деле не являются пожизненным атрибутом галактики: в ходе вековой эволюции они могут возникать, потом рассасываться, потом возникать снова. Также вековая эволюция может изменять соотношение размеров балджа и диска в галактике и даже менять ее морфологический тип.
Спектрофотометрическая эволюция галактик - т. е. эволюция их светимости, цвета и спектра - определяется суммарным эффектом эволюции составляющих ее звезд. При наблюдениях мы можем разрешить на отдельные звезды только самые близкие к нам галактики; для подавляющего же большинства галактик доступны измерениям только интегральные потоки - сумма излучений всех звезд, составляющих данную галактику или данную область галактики.
Простейшим аналогом галактик как звездных систем являются звездные скопления, которые состоят из звезд одного возраста и одного химического состава, но разной массы. Галактика же в общем случае состоит из многих поколений звезд, т. е. как бы представляет собой сумму гиперскоплений разных возрастов; в самосогласованной (идеальной) модели и металличность поколений должна быть разной в соответствии с ходом химической эволюции в галактике.
На деле же пока более успешными, в плане сравнения с наблюдениями, являются модели звездных населений галактик с единым химическим составом для всех звезд - химическим составом, вероятно, соответствующим среднему, взвешенному по светимости звезд, обилию элементов в звездах галактики.
Спектрофотометрические модели галактик строятся численным интегрированием (сложением) спектров звезд, которые, в свою очередь, берутся из хорошо разработанной теории эволюции звезд. Определяющими параметрами эволюционных треков звезд на диаграмме Герцшпрунга - Рассела служат масса и металличность звезды, поэтому интегрирование проводится по массам и возрастам звезд, а металличность фиксируется как параметр модели галактики.
При этом, конечно, надо знать или задавать из априорных предположений распределения звезд в галактике по массам и возрастам. В самом простом случае предполагается, что в определенный момент времени образовался некий конгломерат звезд разных масс, но одинаковой металличности, и дальше он спокойно эволюционировал без добавления туда новых звезд.
Такой частный вариант модели еще называют «пассивной эволюцией» и довольно успешно применяют его для описания эволюции эллиптических галактик. Расчеты показывают, что пассивно эволюционирующая система звезд с возрастом тускнеет и краснеет, поскольку наиболее массивные, яркие голубые звезды заканчивают свой жизненный путь раньше, чем менее массивные. К возрасту около 10 млрд лет такая звездная система уже состоит только из звезд, менее массивных, чем Солнце, и ее спектрофотометрическая эволюция сильно замедляется.
Поэтому эллиптические галактики на красных смещениях z = 0 и z = 0,5 выглядят совершенно одинаковыми, хотя более далекие из них - на z = 0,5 - в среднем на 3–5 млрд лет моложе. А вот если в галактике в середине или на любом другом промежуточном этапе ее жизненного пути образовывались новые молодые звезды, то она в этот момент «омолаживалась», т. е. ярчала и голубела, и дальше эволюция должна была пойти уже немного по-другому, в частности - в более резвом темпе.
Если коротко охарактеризовать самые общие впечатления от современных цветов и светимостей близких галактик, то они хорошо описываются моделями, в которых практически все галактики - старые, т. е. первая вспышка звездообразования состоялась более 10 млрд лет назад, а дальше - чем более ранний морфологический тип у галактики, тем меньше было характерное время затухания ее глобального звездообразования. В эллиптических галактиках все должно было закончиться менее, чем за 1 млрд лет, а в Sc-галактиках звездообразование тлеет примерно на постоянном уровне все время ее жизни. В неправильных и карликовых галактиках вообще предполагается «вспышечный», т. е. сильно неравномерный ход глобального звездообразования.
Химическая эволюция галактик - это история происхождения химических элементов. Согласно современным представлениям, только самые легкие элементы - водород и его изотопы, гелий и литий - образовались в Большом взрыве, в первые несколько минут жизни Вселенной.
Все остальные элементы образуются в звездах в процессе их эволюции, в ходе термоядерных реакций.
Различают несколько классов ядерных реакций, характерных для звезд различных масс в разные периоды их жизни:
протон-протонную цепочку, CNO-цикл, горение гелия, горение углерода, s-процессы, г-процессы и т. д.
Мнения теоретиков о вкладе тех или иных реакций в производство каждого конкретного химического элемента еще окончательно не устоялись. Однако те, кто моделирует химическую эволюцию галактик, смело берут «state-of-art», т. е. самые свежие расчеты звездного нуклеосинтеза, а далее интегрируют производство химических элементов по времени и по массам звезд точно так же, как при спектрофотометрическом моделировании интегрировали светимости звезд.
Параметры модели, соответственно, те же самые - начальное распределение звезд по массам и история звездообразования в галактике, плюс теория звездного нуклеосинтеза, которая на данный момент считается заданной.
В астрономии все элементы тяжелее гелия традиционно называют «металлами», в этом мы терминологически расходимся с химиками. Поскольку металлы в звездах синтезируются, но практически не разрушаются, металличность галактики со временем всегда возрастает, но с какой скоростью и по какому закону - это уже зависит от деталей модели.
В области химической эволюции галактик у исследователей есть мощный эталон, которого нет в области спектрофотометрической эволюции, - это наша собственная Галактика. Посмотреть на нее со стороны и измерить светимость мы не можем, а вот измерить химический состав отдельных звезд - можем.
Химический состав звезд Галактики уже давно исследуется в массовом порядке, есть хорошая статистика, но нельзя сказать, что она сильно проясняет ситуацию. Вроде бы самые первые звезды должны образовываться из первичного газа, не прошедшего еще через цепь термоядерных реакций в недрах звезд, а потому имеющего нулевую металличность. Однако в нашей Галактике пока не найдено ни одной звезды с нулевой металличностью.
Куда же делись маломассивные долгоживущие первичные звезды с нулевой металличностью? Или откуда взялся ненулевой уровень начальной металличности в нашей Галактике? Вроде бы металличность газа и соответственно звезд, из него образующихся, должна монотонно возрастать со временем, но в диске Галактики до сих пор не найдено убедительной антикорреляции металличности звезд с их возрастом. Возраст Солнца - не менее 4,5 млрд лет, но современная металличность межзвездной среды очень близка к солнечной. Чем объяснить практически нулевой темп обогащения металлами межзвездной среды галактического диска?
А наблюдательная техника продолжает развиваться. Сейчас уже в звездах измеряют детальный химический состав - не общую металличность, а содержание отдельно железа, кислорода, магния, кальция и т. д. Соответственно, и от современной теории химической эволюции галактик теперь уже требуются сценарии, объясняющие не только общую металличность, но и соотношение содержаний отдельных химических элементов на каждом этапе эволюции и в разных типах галактик. Нельзя сказать, что задачи теории химической эволюции упрощаются со временем - а мы и прежние еще не решили…
Два способа изучать эволюцию, или Что мы знаем про далекие галактики
Чтобы наполнить картину эволюции галактик конкретным содержанием и выстроить последовательность и значимость различных возможных эволюционных этапов и механизмов, необходимы наблюдательные данные. Их можно получать двумя принципиально разными способами.
Во-первых, можно подробно изучать строение и характеристики близких галактик и строить физические модели эволюции, которые на финальной стадии, к моменту нулевого красного смещения, дают именно такие объекты, какие мы видим рядом с собой, полностью похожие по динамике, структуре и характеристикам звездного населения.
А во-вторых, учитывая колоссальную проницающую силу современных больших телескопов, можно заглядывать напрямую на большие красные смещения - там мы видим галактики, какими они были несколько миллиардов лет назад. Ведь скорость света конечна, и с очень далеких расстояний свет может идти от галактики до нас миллиарды лет.
На рисунке представлена связь красного смещения, на котором наблюдается галактика, и времени, прошедшего для нее от рождения Вселенной, т. е. от Большого взрыва до момента испускания галактикой тех квантов, которые мы сейчас принимаем.
Для расчета графика на рис. 1.4 использована самая популярная современная космологическая модель - с темной материей и темной энергией. Именно космологическая модель определяет геометрию Вселенной, шкалу расстояний и, соответственно, время, которое требуется лучу света, чтобы дойти от галактики на красном смещении z до нас, находящихся на z = 0. Из рис. 1.4 видно, что когда мы наблюдаем галактику на красном смещении z = 1, мы ее видим такой, какой она была 8 млрд лет назад. А на красном смещении z = 5, где сейчас идут самые массовые поиски и обзоры галактик, видна Вселенная всего через один миллиард лет после .
С современными наблюдательными средствами мы видим практически всю эволюцию Вселенной на просвет и, двигаясь по z, можем на прямую наблюдать эволюцию полного космического населения галактик.
Первый подход, когда мы изучаем в деталях близкие галактики, хорош тем, что мы видим в галактиках всё и с большой точностью измеряем все характеристики галактик. Ограничения первого подхода тоже ясны: мы можем заложить в модели только ту физику, которую уже знаем, а если в эволюции галактик есть то, чего мы себе пока не представляем, оно будет упущено, и модель получится неверной. Правда, тот факт, что модель неверна, мы рано или поздно обнаружим, когда появятся новые наблюдательные данные, которые в данную модель не укладываются.
Второй подход, на первый взгляд, кажется более прямым: выстраивая наблюдаемые характеристики галактик вдоль красного смещения, мы вроде бы получаем временной ход их эволюции, не опирающийся на априорные модельные предположения. Однако когда работа в этом направлении пошла активно, выяснилось, что и тут все непросто.
Допустим, в каком-то диапазоне спектра - например, в дальнем инфракрасном диапазоне - обнаруживается совершенно новый вид галактик; к примеру, удалось определить их красное смещение, хотя и это не всегда возможно, и это красное смещение оказалось большим: мы видим ранний этап эволюции.
Теперь надо понять: превратятся ли эти необычные галактики во что-то обычное к настоящей эпохе, к z = 0, и во что именно, или же с ходом эволюции исчезнут как класс, и мы не увидим рядом с нами их прямых потомков. Единственный известный пока нам способ сделать это, то есть выстроить наблюдаемые на разных красных смещениях совершенно разные по виду галактики в одну эволюционную цепочку, состоит в том, чтобы привлечь те самые физические модели эволюции, правильность которых еще никто не доказал. И все возвращается на круги своя.
Пока что чем больше наблюдательных данных о далеких галактиках собирается в копилках астрономов, тем менее ясной представляется общая картина. Есть и прямые противоречия: одни данные говорят за один сценарий эволюции, другие - за совершенно иной. Наука об эволюции галактик находится сейчас в том счастливом возрасте, когда фактов уже достаточно, чтобы было над чем поразмыслить, но полную картину еще предстоит построить.
Наиболее яркий пример прямого наблюдательного изучения эволюции галактик путем сопоставления их типичных характеристик на разных красных смещениях служит история исследования глубоких полей «Хаббла» (HDF, Hubble Deep Fields) - то есть площадок неба, снятых космическим телескопом «Хаббл» с очень длинными экспозициями.
Сейчас их уже несколько - Ультраглубокое поле «Хаббла» (2004), Крайне глубокое поле «Хаббла» (2012 г.), а началось все с двух небольших площадок - северной и южной. Северное глубокое поле «Хаббла» (HDF-N) было снято первым и на сегодняшний день исследовано досконально. Вся эта эпопея с глубокими полями «Хаббла» началась в 1994 году, когда после починки космического телескопа «Хаббл» (далее - HST) выяснилось, что теперь он может получать изображения с угловым разрешением 0,1″.
Астрономам захотелось посмотреть с таким разрешением на очень далекие галактики; для этого нужно было получить очень глубокий снимок, т. е. снимок с очень большой экспозицией. В созвездии Большая Медведица была выбрана небольшая, всего 5,3 кв. минуты дуги, и на первый взгляд совершенно пустая площадка, и с прибором WFPC2 (Wide-Field Planetary Camera-2) она экспонировалась в течение 10 суток.
Были получены снимки в четырех широких фотометрических полосах: использовались фильтры F300W, F450W, F555W и F814W, центрированные на длины волн, указанные в их именах (в нанометрах), и грубо соответствующие фотометрической системе Джонсона - Казинса, т. е. фильтрам U, B, V и I. Позднее площадку досняли с прибором NICMOS (Near-Infrared Camera and Multi-Object Spectrograph) в фильтрах F110W (1,1 мкм, J) и F160W (1,6 мкм, H).
Таким образом, для всех объектов площадки были получены не только широкополосные цвета, но и грубое распределение энергии в спектре в диапазоне от 3000 до 16 000 Å. Предельная звездная величина, достигнутая в экспозиции HDF-N, Vlim ≈ 30m. Площадка располагается на высокой галактической широте, поэтому несомненных звезд на ней мало - всего 9; есть еще несколько десятков слабых точечных голубых объектов, которые могут оказаться старыми белыми карликами.
Все остальные объекты площадки, а их около трех тысяч, - это галактики. Самой близкой к нам оказалась красивая эллиптическая галактика чуть выше центра кадра - ее красное смещение z = 0,09. На каком красном смещении располагается самая далекая галактика в HDF-N, пока сказать трудно. Есть один объект, широкополосные цвета которого намекают на z ≈ 12, однако все попытки снять спектр галактики, чтобы найти в нем эмиссионную линию для спектрального подтверждения красного смещения по эффекту Доплера, потерпели неудачу - уж слишком слабый у нее блеск.
Подавляющее большинство галактик, обнаруженных в HDF-N, находятся на красных смещениях меньше 1. Правда, надо иметь в виду: в основном это так называемые фотометрические красные смещения. Снять спектр галактики 25-й звездной величины, используя даже самые крупные наземные телескопы, - дело долгое, дорогое и трудное. Поэтому в поле HDF-N прямо измерили значения z только у 150 галактик из 3000, причем, естественно, у самых ярких.
Для остальных моделировали цвета: распределения энергии в спектрах близких галактик сдвигали в красную сторону, «сворачивали» с кривыми реакции фильтров и смотрели, как меняется видимый цвет в зависимости от z. Совпал при каком-то конкретном красном смещении модельный цвет с наблюдаемым для некоей галактики - вот вам и фотометрическое z.
По всем 150 галактикам, у которых красное смещение измерено спектрально, калибровки фотометрических z, естественно, были проверены; авторы методики уверяют, что точность фотометрических красных смещений, определенная как (zph − zspec) / (1 + zspec), лучше 5%.
Среди того большинства галактик, у которых z < 1, опять же большую часть представляют слабые голубые галактики с нерегулярной морфологией, и относительное количество таких галактик явно растет с z. Однако на z ≤ 1 наблюдаются и яркие представители всех хаббловских морфологических типов. Например спиральная галактика, развернутая плашмя; ее красное смещение z = 1,01. Статистический анализ показывает, что в интервале 1 > z > 0 ни число, ни характерные светимости и размеры эллиптических и спиральных галактик не изменились: все крупные галактики, которых мы видим рядом с нами, уже сформировались к эпохе z ≈ 1, т. е. 8 млрд лет назад.
Однако картина резко меняется на z > 1,5: в HDF-N нет ни одной галактики с большим z, которые имели бы правильную морфологию, а всего их там несколько десятков. Характерное изменение морфологии с z можно проследить, например, на рис. 1.6 (взят из обзора Ferguson et al., 2000): галактики на z > 2, как правило, «множественные», т. е. представляют собой скопления сгустков неправильной формы. Линейные размеры сгустков значительно меньше, чем типичные размеры современных галактик, - их диаметры меньше 1 кпк.
Сторонники иерархической концепции, т. е. гипотезы формирования больших галактик путем слияния мелких фрагментов, обрадовались, решив, что в HDF-N напрямую виден этот процесс на красных смещениях z = 2 ÷ 3.
Однако скептики тут же выдвинули свои возражения. Во-первых, существует космологическое ослабление поверхностной яркости - эффект Толмена, пропорциональный (1 + z)4, - и значит, на больших красных смещениях мы можем не увидеть обычные диски галактик, а будем видеть только самые яркие области звездообразования в них; у современных молодых звездных комплексов как раз подходящие размеры.
Во-вторых, на z > 2 в оптическую область спектра, где наблюдала WFPC2, из-за красного смещения попадает уже далекая ультрафиолетовая область спектра в собственной системе длин волн галактики, а ультрафиолетовая морфология галактики может сильно отличаться от оптической, опять же из-за очагов звездообразования.
Последнее возражение удалось отчасти снять после того, как HDF-N отнаблюдали с прибором NICMOS на 1,1 мкм и 1,6 мкм и посмотрели уже на оптическую (в системе длин волн галактик) морфологию тех же самых далеких объектов; оказалось, что она качественно не отличается от морфологии, наблюдавшейся с WFPC2 . Однако первое возражение пока еще никто не опроверг.
Вообще-то наблюдательные поиски галактик в процессе их формирования начались задолго до запуска космического .
Еще в 1970-х годах усилиями сначала Пиблса и Патриджа, а потом Беатрис Тинсли, которая изобрела метод эволюционного спектрофотометрического моделирования, стал очень популярен такой образ новорожденной эллиптической галактики: «10 миллионов Туманностей Ориона».
Действительно, цвета близких эллиптических галактик очень красные, и они свидетельствуют в пользу того, что все звездообразование в этих галактиках закончилось в первый миллиард лет их жизни. Между тем самые крупные из них содержат до 1012 М☉ звезд. Разделив одно на другое, получаем на заре формирования эллиптической галактики темп звездообразования (SFR, Star Formation Rate) до 1000 М☉ в год! Для сравнения - в современных крупных спиральных галактиках в среднем SFR ≈ 1М☉ в год.
Спектрофотометрические модели предсказывают, что при текущем SFR ≈ 1000 М☉ в год галактика должна быть очень яркой - примерно как квазар, т. е. на 4 звездные величины ярче, чем сегодня, - а также голубой и с мощной эмиссионной линией водорода Lyα в спектре.
Вот таких «зверей» и искали весьма активно на небе в 1970–1980-е годы, сначала с фотографической техникой, а потом уже и с помощью ПЗС-приемников. К 1978 году был закончен первый глубокий подсчет галактик Крона: он считал их в двух фильтрах, голубом и красном, и обнаружил, что в B-лучах слабых галактик 23–24-й звездной величины гораздо больше, чем можно было предсказать, исходя из парадигмы пассивной эволюции, т. е. из предположения, что на любом z галактики такие же и в том же количестве, что и рядом с нами.
Этот результат вдохновил Тинсли: она произвела необходимые модельные расчеты и объявила, что среди «избыточных» слабых голубых галактик Крона должно быть много далеких, на z > 3, эллиптических галактик в момент их основной эпохи звездообразования.
Она не дожила до результатов массовой спектроскопии слабых голубых галактик; всем остальным заинтересованным исследователям эти результаты принесли разочарование: «избыточные» слабые голубые галактики оказались все на z 
Рис. 1.7 иллюстрирует технику поиска LBG-галактик, в данном случае на z = 7: в фильтре i (λc = 7500 Å) галактики не видно, а в фильтре J (11 000 Å) и в более красных она видна превосходно - значит, с большой долей вероятности это Ly-break галактика на z ≈ 7.
В основном благодаря усилиям Чарльза Стейделя (Steidel, 1999) сейчас известно уже несколько тысяч таких объектов и подведены первые статистические итоги. Так, по своим свойствам, в том числе и по характерной светимости (а значит, скорее всего, и по массе), LBG-галактики на z = 3, z = 4 и z = 5 идентичны друг другу. Это означает, что процесс формирования звездного населения в этих галактиках был достаточно затяжным. В спектрах половины LBG-галактик вовсе не оказалось Lyα-эмиссии, а в остальных она весьма скромная; да и темпы звездообразования, оцененные по потоку в ультрафиолете (в системе галактики), оказались в среднем весьма умеренными, от 8 до 25 М☉ / год, что согласуется с идеей о большой продолжительности у них эпохи звездообразования. Есть предположение, что LBG-галактики - это будущие балджи современных дисковых галактик ранних типов; впрочем, доказать это трудно. Любопытно, что после того как была оценена средняя плотность на небе пересчитанных на довольно больших площадях LBG-галактик, выяснилось, что в HDF-N количество LBG-галактик в несколько раз меньше среднеожидаемого (Steidel et al., 1996b). То есть в плане средней эволюции галактик на больших z Северное глубокое поле «Хаббла» оказалось совершенно нетипичным, что неудивительно, учитывая его малые размеры. Тогда насколько же репрезентативна статистика морфологических типов галактик, которую астрономы с энтузиазмом изучают по глубоким полям «Хаббла» в течение уже многих лет?!
Астрофизик, доктор физико-математических наук, заведующая отделом физики эмиссионных звезд и галактик Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга МГУ им. М.В. Ломоносова – Ольга Касьяновна Сильченко.
