Какие типы галактик различают современные астрономы. Виды 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

где а и b — это соответственно большая и малая полуоси какой-либо изофоты галактики. Таким образом, эллиптическая галактика круглой формы будет отнесена к типу Е0, а сильно сплюснутая может быть классифицирована как Е6 Проще всего выглядят эллиптические галактики: они ровные, однородные по цвету и симметричные. Их почти совершенное строение наводит на мысль об их существенной простоте. И действительно, параметры эллиптических галактик оказалось легче измерить и подыскать под них теоретические модели, чем сделать это для более сложных родственников этих объектов.

Рассмотрим, для примера, строение типичной эллиптической галактики M87. В ее центре находится яркое ядро. окруженное размытым сиянием, яркость которого падает по мере удаления от центра. Как и у всех эллиптических галактик, падение яркости описывается простой математической формулой. Форма контура галактики тоже остается почти одинаковой на всех уровнях яркости. Все изофоты представляют собой почти идеальные эллипсы, центрированные в точности на ядро галактики. Направления больших осей и отношения большой оси к малой почти одинаковы у всех эллипсов.

Фундаментальная простота эллиптических галактик согласуется с предположением о том, что они управляются небольшим числом сил. Орбиты звезд гладкие и хорошо перемешаны и ничто, кроме гравитации, не влияет на их расположение, и никакое непрерывное звездообразование не разрушило их правильности. Когда Хаббл впервые обратил внимание на эти факты, он показал, что строение эллиптической галактики мало отличается от строения простой газовой среды, формируемой лишь гравитационными силами и состоящей из одинаковых частиц примерно одинаковой температуры. Чтобы построить такой объект из звезд, надо лишь взять много похожих звезд, расположить их рядом друг с другом в пространстве, позволить тяготению поработать с ними и долго-долго подождать, пока движения всех звезд не станут похожими. Не следует придавать звездам систематических движений вроде общего вращения, но надо удостовериться в том, что звезды выбраны тихие и благонравные, которые не будут извергаться, выбрасывать вещество или иным способом нарушать скучную монотонность неизменного звездного царства. Но нет необходимости с самого начала распределять их в идеальном шаровом объеме. Можно, например, «сделать» из них ящик прямоугольной формы и просто подождать некоторое время. Звезды сами в конце концов расположатся в виде сфероида. Тяготение действует сферически симметричным образом и, если ваша галактика управляется только гравитацией, то она выровняется, потеряет острые углы и станет симпатичной эллиптической галактикой.

Настоящие эллиптические галактики, разумелся, не являются совершенными сферами. Например, изофоты M87 — это скорее эллипсы, чем окружности, и отношения их осей слегка различаются на разных расстояниях от центра — во внешних частях изофоты менее круглые. Их ориентация тоже немного меняется. Все эти несовершенства говорят нам, что простая модель эллиптических галактик не совсем правильна. Предыстория или особые обстоятельства, наверное, оказали заметное влияние на орбиты звезд. Может быть, дело во вращении или причиной является приливное действие соседних галактик, или же мы наблюдаем проявления особых начальных условий, столь сильные, что тяготению не хватило времени для полного их устранения.

В отличие от эллиптических галактик, для спиральных характерно наличие диска и балджа (утолщения). Спиральные рукава уступают диску и балджу по количеству содержащихся в них звезд, хотя и являются важными и выдающимися частями галактики. (Так же, как глаза на лице человека — это небольшая часть тела, но они привлекают наше внимание и много говорят о внутреннем мире человека.)

Диск спиральной галактики довольно плоский. Видимые с ребра галактики говорят о том, что толщина типичного диска составляет около 1/10 его диаметра. В нашей собственной Галактике, где мы можем вести подсчет звезд в диске и измерять его толщину, оказалось, что звездное население быстро редеет и на высоте 3000 световых лет над плоскостью галактики становится весьма разреженным. Это в особенности справедливо для самых молодых звезд и сырья (газа и пыли), находящегося в ожидании формирования будущих звезд. 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. Галактики 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. У галактик SBc даже бар разделяется 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».

У некоторых видимых с ребра спиральных галактик заметны мощные тончайшие прослойки пыли, пересекающие диск в самой его середине, в то время как самые старые звезды диска образуют гораздо более толстый слой.

Во второй половине 40-х годов ХХ века У. Бааде (США) установил, что клочковатость спиральных ветвей и их голубизна растут с повышением содержания в них горячих голубых звезд, их скоплений и диффузных туманностей. Центральные части спиральных галактик желтее, чем ветви и содержит старые звезды (население второго типа, по Бааде, или население сферической составляющей), тогда как плоские спиральные ветви состоят из молодых звезд (население первого типа, или население плоской составляющей)

Данные измерений распределения яркости в дисках спиральных галактик обнаруживают очень важное сходство — это обстоятельство хорошо задокументировано, но до сих пор не получило удовлетворительного объяснения. Яркость весьма регулярным образом падает по мере удаления от центра в соответствии с универсальной математической зависимостью, которая, однако, отличается от аналогичной зависимости для эллиптических галактик.

Наблюдаемые свойства галактических дисков находят естественное объяснение в созданных на ЭВМ моделях быстро вращающихся звездных систем. Рассмотрим описанную выше эллиптическую галактику. Если ее протогалактическому газовому облаку придать быстрое вращение еще до образования большинства звезд, то облако приобретет плоскую форму, и распределение звезд будет напоминать диск спиральной галактики. Таким образом, оказывается, что основное структурное отличие эллиптических галактик от спиральных состоит в скорости исходного вращения.

Тогда откуда же появляется балдж? Если быстро вращающееся протогалактическое облако порождает диск, а медленно вращающееся или совсем не вращающееся превращается в эллиптическую галактику, то что же делают в центрах спиральных галактик эти толстые эллипсоидальные балджи? Они обладают большинством структурных свойств эллиптических галактик: правильными изофотами, наличием старых звезд, существенной толщиной и ровно падающим распределением яркости. Ответ следует, по-видимому, искать в том обстоятельстве, что газ ведет себя совсем не так, как звезды. Газовое облако может довольно легко избавиться от энергии — просто нагреваясь и излучая ее. При этом вращающееся газовое облако станет плоским и превратится в диск. Однако если в некоторые момент времени газ начинает конденсироваться в звезды, то ситуация меняется. Звезды не сталкиваются, как атомы в газе. Их размеры слишком малы по сравнению с расстояниями между ними. Так как звезды не нагреваются столкновениями, то они не рассеивают эффективным образом свою энергию и поэтому не коллапсируют в плоскость. Поэтому, если звезды начинают образовываться — а это происходит сначала в центральных областях, где плотность самая высокая, то они останутся на месте в большом толстом центральном балдже.

Например, в Млечном Пути первыми должны были образоваться звезды в центральном балдже, которые сейчас являются старейшими. Оставшийся газ сколлапсировал в плоскость, где медленно образовывались и вращались вместе с газом другие звезды. Этот тонкий плоский диск (хотя этот диск далеко не всегда плоский: см. рис. галактики ESO 510) стал местом большей части последующих активных событий в нашей Галактике: звезды, гигантские молекулярные облака, облака возбужденного газа и крупномасштабные спиральные узоры — все это развивалось здесь, в запутанной структуре, бросающей сейчас вызов нашим теоретическим моделям.

Спиральные галактики не выглядели бы особенно интересными без своей спиральной структуры — без нее они бы, разумеется, не были спиральными Галактиками, но все обстоит еще хитрее. Если спиральная галактика образуется потому, что вращение заставляет газ коллапсировать на плоскость, то спиральная форма рукавов кажется естественным результатом — вроде узора, образуемого сливками, которые наливают при помешивании в чашку кофе, или вроде воды, уходящей через сток. Эти ситуации не являются строгими аналогами галактики, но хорошо иллюстрируют закономерность: где есть вращение, там обычно бывает и спиральная структура. Поэтому на протяжении многих лет астрономов особенно не беспокоила спиральная форма многих галактик — она казалась совершенно естественной.

Первая серьезная трудность возникла, когда кому-то пришло в голову задать вопрос: как долго существует в галактике спиральный рукав? Известны периоды вращения галактик, типичные значения которых для звезд, расположенных на расстоянии от ядра, эквивалентном расстоянию Солнца до центра Галактики, составляют несколько сотен миллионов лет. Известны возрасты ближайших галактик — около 10 миллиардов лет. Если спиральная структура возникает из-за того, что внутренняя часть галактики вращается со скоростью, отличной от скорости внешней части, то рукава должны постепенно закрутиться в спиральный узор. Однако для галактики с возрастом, характерным для окружающих нас галактик, число оборотов узора должно быть очень большим — примерно равным возрасту, деленному на средний период вращения — около 100. У реальных спиральных галактик — по крайней мере у тех, что имеют четкие непрерывные спиральные ветви, наблюдается закрутка спирального узора лишь на один-два оборота. Встает вопрос: «замораживаются» ли спиральные рукава каким-то образом, что позволяет им сохраниться? Или же они закручиваются до исчезновения, чтобы смениться новыми? Или же есть для них возможность не участвовать в общем вращении звезд и газа, что позволяет им вращаться медленнее?

Проблема не в том, что мы не можем придумать, как создать спиральную структуру: любая «капля», вращающаяся, как галактика с различными периодами вращения на различных расстояниях от центра, создает спиральный узор. Проблема в том, как галактика приобретает спиральную форму, которая сохраняется. В настоящее время существует три типа ответов, и мы еще не знаем наверняка, какой же из них правильный. Возможно, что все являются правильными в том или ином случае, и спиральная структура даже одной индивидуальной галактики может иметь смешанное происхождение.

По-видимому, самым аккуратным и элегантным для спиральных галактик является объяснение, известное под названием теории волн плотности. После развития шведским астрономом Бертилом Линдбладом многих связанных с ней теоретических идей, теория волн плотности была полностью разработана и успешно применена в 60-х годах к галактикам Ц. Ц. Лином и его студентами в Массачусетсском технологическом институте. Они показали, используя математический анализ устойчивости плоского звездного диска, что отклонение от регулярной формы в начальном распределении газа может стать устойчивым и постепенно превратиться в двухрукавный спиральный узор, вращающийся значительно медленнее звезд. Входя в рукав, звезды на время замедляются, что приводит к повышенной плотности в рукаве, а потом продолжают движение за фронтом волны. На границе фронта должна возникать ударная волна в газе, которая может вызвать процесс звездообразования, и поэтому в некоторых галактиках наблюдается концентрация активных газовых облаков и новообразованных звезд в рукавах. Форма спиральных рукавов в рамках этой гипотезы очень похожа на форму реальных спиральных рукавов в небольшом количестве галактик с «совершенной» спиральной структурой — таких, как М81. Однако она не подходит для описания более распространенного типа галактике чрезвычайно несовершенными рукавами — фрагментарными, размытыми и нечеткими.

Теория, лучше всего применимая в случае таких галактик опирается на действие весьма простых искажений любой структуры, вызываемых дифференциальным вращением галактики. Вместо наличия постоянно существующего набора рукавов эта гипотеза предсказывает непрерывное рождение и распад спиральных сегментов. Многие первооткрыватели в этой области считали, что такой метод может работать, нужно было лишь найти способ восстановления рукавов. В 1965 г. был создан компьютерный фильм, изображавший весь процесс в действии. В этом фильме в качестве модели использовалась галактика М31 в предположении случайного (стохастического) процесса возникновения областей звездообразования. При рождении такие области проявляют себя как яркие участки повышенной активности. Вперед дифференциальное вращение вытягивает их в длинные узкие сегменты спиральной формы, и эти области постепенно тускнеют по мере того, как расходуется сконцентрированный в них газ. Само собой, результатом является не совершенный двухрукавный спиральный узор, а скорее набор спиральных фрагментов, покрывающих галактику и придающих ей некоторое подобие спиральной формы, но с рукавами, которые нельзя проследить на протяжении более чем несколько десятков градусов.

Созданные в компьютерном фильме системы по форме напоминают многие спиральные галактики и поэтому вероятно, что в таких объектах преобладают стохастические процессы наподобие упомянутого выше. Это особенно верно для некоторых видов идеальных областей звездообразования, содержащих последовательность участков на разной стадии активности: спереди находится гигантское молекулярное облако, которое собирается конденсироваться в звездное скопление, за ним — газовое облако, освещенное и потерявшее часть газа из-за наличия в нем только что образовавшихся звезд, а за облаком — стареющее и медленно распадающееся звездное скопление, относительно свободное от газа. Эта последовательность областей имеет примерно линейную форму и будет вытянута дифференциальным вращением в сегмент спирального рукава. Результатом является спиральная галактика, образованная разрозненными фрагментами спиральных рукавов. Следовательно, стохастическая теория, кажется, в состоянии объяснить форму как раз тех галактик, которые не могут быть описаны теорией волн плотности. Таким образом, нам, может быть, не нужны другие идеи — нужно всего лишь терпение в проведении подробных измерений, необходимых для сравнения свойств спиральных рукавов с различными версиями каждой из теорий.

Существует, однако, еще одна возможность. Любое возмущение диска может приводить к скоплению газа, что будет проявляться в виде спиральных рукавов или спиральных сегментов . Возмущение может исходить извне или же изнутри — из собственного ядра галактики. Одна из возможностей первого типа состоит в том, что межзвездный газ может втекать в галактику, образуя спиральные рукава. Эта гипотеза не очень привлекательна, так как газ будет преимущественно со стороны полюсов, где нет достаточного количества другого газа для столкновения, и известно очень мало случаев, когда спиральные рукава не лежат в плоскости диска. Более привлекательным внешним агентом может быть приливное воздействие других галактик при близких прохождениях. Приливы, порождаемые близкими прохождениями, почти столкновениями — воздействуют на звезды и газ и могут исказить форму галактики в достаточной степени для возникновения неправильных образований, которые в ходе вращения приобретут спиральную форму. Это красивая идея, но ее недостаток — в необходимости близкого прохождения другой галактики. К сожалению, расстояния между галактиками слишком велики, чтобы этот механизм мог быть эффективным в большинстве случаев. Однако в том, что касается прохождений галактик вблизи друг друга, нас могут ожидать сюрпризы. Недавние определения темпов звездообразования показывают. что в близко расположенных друг к другу галактиках темп звездообразования аномально велик — особенно в ядрах. Может быть, окажется, что приливные эффекты включаются гораздо легче, чем мы сейчас думаем.

Нет убедительных свидетельств в пользу возникновения спиральных рукавов в результате активности в ядрах галактик, но в этих таинственных и бурных областях происходит достаточно событий, чтобы появилась подобная гипотеза. В радиогалактиках и квазарах — наблюдаются очень высокоэнергетические процессы в ядрах галактик, многие из которых выбрасывают огромные потоки газа даже за видимые пределы галактики. Возможно, активность этого типа может каким-то образом приводить к образованию спиральных рукавов, но в настоящее время эта гипотеза весьма расплывчата и не подкрепляется разумной физической моделью.

У многих спиральных галактик есть еще одна замечательная структурная особенность, обычно некоторым образом связанная со спиральными рукавами: большая концентрация звезд в форме бруска (бара), пересекающая ядро и простирающаяся симметричным образом в обе стороны. Данные измерений скоростей в них показывают, что бары вращаются вокруг ядра как твердые тела, хотя, разумеется, они на самом деле состоят из отдельных звезд и газа. Бары, встречающиеся в галактиках SO или Sa, более ровные и состоят исключительно из звезд, в то время как бары в галактиках типов Sb, Sc и Irr часто содержат много газа и пыли. Все еще идут споры о движениях газа в этих барах. Некоторые данные свидетельствуют о том, что газ течет наружу вдоль бара, а по другим данным, он течет внутрь. В любом случае, существование баров не удивляет астрономов, изучающих динамику галактик. Численные модели показывают, что неустойчивости в диске вращающейся галактики могут проявляться в форме бара, напоминающего наблюдаемые.

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. Они 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.

Характеристики неправильных галактик не являются совершенно иррегулярными. У них много общих черт, служащих указанием на причины хаотичности их видимой формы. Все эти галактики богаты газом и почти все содержат много молодых звезд и облаков светящегося ионизованного газа, часто исключительно больших и ярких. Ни одна из галактик не имеет центрального балджа или какого-нибудь реального ядра. Распределение яркости неправильных галактик в среднем падает при переходе от центра наружу по такому же математическому закону, как в спиральных галактиках. Многие из них имеют в центральных областях структуры типа бара — особенно хорошим примером является Большое Магелланово Облако

Неправильная форма у галактики может быть в следствии

того, что она не успела принять правильной формы из-за малой плотности в ней материи или из-за молодого возраста. Есть и другая версия: галактика может стать неправильной в следствии искажения формы в результате взаимодействия с другой галактикой.

Оба таких случая встречаются среди неправильных галактик, может быть, с этим связано разделение неправильных галактик на два подтипа.

Подтип I1 характеризуется сравнительно высокой поверхностной яркостью и сложностью неправильной структуры. Французский астроном Вокулер в некоторых галактиках этого подтипа обнаружил признаки разрушенной спиральной структуры. Кроме того, Вокулер заметил, что галактики этого подтипа часто встречаются парами. Существование одиночных галактик так же возможно. Объясняется это тем, что встреча с другой галактикой могла иметь место в прошлом, теперь галактики разошлись, но для того, чтобы принять снова правильную форму им требуется длительное время.

Другой подтип I2 отличается очень низкой поверхностной яркостью. Эта черта выделяет их среди галактик всех других типов. Галактики этого подтипа отличаются так же отсутствием ярко выраженной структурности.

Если галактика имеет очень низкую поверхностную яркость при обычных линейных размерах, то это означает, что в ней очень мала звёздная плотность, и, следовательно, очень малая плотность материи.

Важным намеком на то, как образуются неправильные галактики, являются результаты сравнения их светимостей со светимостями спиральных галактик. Почти все они значительно слабее даже наименее ярких спиральных галактик. Спиральная галактика М33, представляющая примерно нижнюю границу диапазона светимостей спиральных галактик, все еще ярче Большого Магелланова Облака — одной из ярчайших не правильных галактик. Итак, отсутствие спиральных рукавов у неправильных галактик, по-видимому, связано с их малостью. Возможно, это связано также с величиной углового момента галактики и интенсивностью турбулентных движений в ней. Плоскости неправильных галактик относительно толще, чем у спиральных; это позволяет предполагать, что вращение звезд и газа столь медленное, что спиральные рукава не возникают. С другой стороны, если вращение было бы слишком медленным, то галактика не сплющилась бы до плоскости — неважно, толстой или тонкой — и образовалась бы массивная карликовая эллиптическая галактика.

На самом деле мы не можем с уверенностью сказать, какова связь карликовых эллиптических и карликовых неправильных галактик. Согласно традиционным представлениям, звезды в эллиптических галактиках очень старые (их возраст 10 и более миллиардов лет), в то время как неправильные галактики содержат как старые, так и молодые звезды. Однако существуют некоторые свидетельства в пользу того, что в некоторых карликовых эллиптических галактиках — например, в карликовой галактике в созвездии Киля — еще 2-3 миллиарда лет назад происходил активный процесс звездообразования, и во время этих эпизодов они могли выглядеть, как карликовые неправильные галактики. Это важный вывод, так как динамические объяснения различий галактик этих двух типов придется отвергнуть в случае, если они могут свободно переходить из одного типа в другой и обратно.

Имеются также галактики, для которых характерно отсутствие ядра — утолщения, наблюдаемого в центральной части.

Такие галактики называют иглообразными .

В начале 60-х годов ХХ века было открыто множество далеких компактных галактик, из которых наиболее далекие по своему виду неотличимы от звезд даже в сильнейшие телескопы. От звезд они отличаются спектром, в котором видны яркие линии излучения с огромными красными смещениями, соответствующими таким большим расстояниям, на которых даже самые яркие одиночные звезды не могут быть видны. В отличие от обычных далеких галактик, которые, из-за сочетания истинного распределения энергии в их спектре и красного смещения выглядят красноватыми, наиболее компактные галактики (называющиеся также квазозвездными галактиками) имеют голубоватый цвет. Как правило, эти объекты в сотни раз ярче обычных сверхгигантских галактик, но есть и более слабые

У многих галактик обнаружено радиоизлучение нетепловой природы, возникающее, согласно теории русского астронома И.С.Шкловского, при торможении в магнитном поле электронов и более тяжелых заряженных частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света (так называемое синхотронное излучение). Такие скорости частицы получают в результате грандиозных взрывов внутри галактик.

Компактные далекие галактики, обладающие мощным нетепловым радиоизлучением, называются N-галактиками (или Активными Галактиками).

Звездообразные источники с таким радиоизлучением, называются квазарами (квазозвездными радиоисточниками), а галактики обладающие мощным радиоизлучением и имеющие заметные угловые размеры, — радиогалактиками . Радиогалактики, имеющие особенно мощное нетепловое радиоизлучение, обладают преимущественно эллиптической формой, но встречаются и спиральные.

Большой интерес представляют так называемые галактики Сейферта. В спектрах их небольших ядер имеется много очень широких ярких полос, свидетельствующих о мощных выбросах газа из их центра со скоростями, достигающими несколько тысяч км/сек. Ученые предполагают, что в центрах галактик Сейферта находятся сверхмассивные чёрные дыры, которые выбрасывают большое количество гравитационной энергии. Часть энергии в нагретой плазме высвобождается в виде гамма-излучения.

Близкие к нам радиогалактики изучены полнее, в частности методами оптической астрономии. В некоторых из них обнаружены пока еще не объясненные до конца особенности

При изучении неправильной галактики М82 в созвездии Большой Медведицы американские астрономы А.Сандж и Ц.Линдс в 1963 году пришли к заключению, что в ее центре около 1,5 миллионов лет назад произошел грандиозный взрыв, в результате которого во все стороны со скоростью около 1000 км/сек были выброшены струи горячего водорода.

Сопротивление межзвездной среды помешало распространению струй газа в экваториальной плоскости, и они потекли преимущественно в двух противоположенных направлениях вдоль оси вращения галактики. Этот взрыв, по-видимому, породил и множество электронов со скоростями, близкими к скорости света, которые явились причиной нетеплового радиоизлучения.

Таким образом, радиогалактики — это галактики, у которых ядра находятся в процессе распада. Выброшенные плотные части, продолжают дробиться, возможно, образуют новые галактики — сестры, или спутники галактик меньшей массы. При этом скорости разлета осколков могут достигать огромных значений. Исследования показали, что многие группы и даже скопления галактик распадаются: их члены неограниченно удаляются друг от друга, как если бы они все были порождены взрывом.

Хотя мы и продвигаемся вперед, еще многое надо узнать о строении галактик. Мы можем достичь большего, чем просто описывать различия, мы можем для многих из них дать объяснения. Однако число нерешенных проблем достаточно велико и астрономам придется творчески обдумывать их на протяжении многих лет.

Связанная силами гравитационного взаимодействия. Количество звезд и размеры галактик могут быть различными. Как правило, галактики содержат от нескольких миллионов до нескольких триллионов (1 000 000 000 000) звезд. Кроме обычных звезд и межзвездной среды галактики также содержат различные туманности. Размеры галактик от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч световых лет. А расстояние между галактиками достигает миллионов световых лет.

Около 90 % массы галактик приходится на долю темной материи и энергии. Природа этих невидимых компонентов пока не изучена. Существуют свидетельства того, что в центре многих галактик находятся сверхмассивные . Пространство между галактиками практически не содержит вещества и имеет среднюю плотностью меньше одного атома на кубический метр. Предположительно, в видимой части вселенной находится около 100 млрд. галактик.

По классификации, предложенной астрономом Эдвином Хабблом, в 1925 году существуют несколько видов галактик:

• эллиптические(E),
• линзообразные(S0),
• обычные спиральные(S),
• пересеченные спиральные(SB),
• неправильные (Ir).

Эллиптические галактики — класс галактик с четко выраженной сферической структурой и уменьшающейся к краям яркостью. Они сравнительно медленно вращаются, заметное вращение наблюдается только у галактик со значительным сжатием. В таких галактиках нет пылевой материи, которая в тех галактиках, в которых она имеется, видна как тёмные полосы на непрерывном фоне звёзд галактики. Поэтому внешне эллиптические галактики отличаются друг от друга в основном одной чертой — большим или меньшим сжатием.

Доля эллиптических галактик в общем числе галактик в наблюдаемой части вселенной — около 25 %.

Спиральные галактики названы так, потому что имеют внутри диска яркие рукава звёздного происхождения, которые почти логарифмически простираются из балджа (почти сферического утолщения в центре галактики). Спиральные галактики имеют центральное сгущение и несколько спиральных ветвей, или рукавов, которые имеют голубоватый цвет, так как в них присутствует много молодых гигантских звезд. Эти звезды возбуждают свечение диффузных газовых туманностей, разбросанных вместе с пылевыми облаками вдоль спиральных ветвей. Диск спиральной галактики обычно окружён большим сфероидальным гало (светящееся кольцо вокруг объекта; оптический феномен), состоящим из старых звёзд второго поколения. Все спиральные галактики вращаются со значительными скоростями, поэтому звезды, пыль и газы сосредоточены у них в узком диске. Обилие газовых и пылевых облаков и присутствие ярких голубых гигантов говорит об активных процессах звездообразования, происходящих в спиральных рукавах этих галактик.

Многие спиральные галактики имеют в центре перемычку (бар), от концов которой отходят спиральные рукава. Наша Галактика также относится к спиральным галактикам с перемычкой.

Линзообразные галактики — это промежуточный тип между спиральными и эллиптическими. У них есть балдж, гало и диск, но нет спиральных рукавов. Их примерно 20% среди всех звездных систем. В этих галактиках яркое основное тело - линза, окружено слабым ореолом. Иногда линза имеет вокруг себя кольцо.

Неправильные галактики — это галактики, которые не обнаруживают ни спиральной, ни эллиптической структуры. Чаще всего такие галактики имеют хаотичную форму без ярко выраженного ядра и спиральных ветвей. В процентном отношении составляют одну четверть от всех галактик. Большинство неправильных галактик в прошлом являлись спиральными или эллиптическими, но были деформированы гравитационными силами.

Эволюция галактик

Образование галактик рассматривают как естественный этап эволюции , происходящий под действием гравитационных сил. Как предполагают ученые, около 14 млрд. лет назад произошел большой взрыв, после которого Вселенная везде была одинаковой. Затем частицы пыли и газа начали группироваться, объединяться, сталкиваться и таким образом появлялись сгустки, которые позднее превращались в галактики. Многообразие форм галактик связано с разнообразием начальных условий образования галактик. Скопление газообразного водорода в пределах таких сгустков стало первыми звездами.

С момента зарождении галактика начинает сжиматься. Сжатие галактики длится около 3 млрд лет. За это время происходит превращение газового облака в звездную систему. Звезды образуются путем гравитационного сжатия облаков газа. Когда в центре сжатого облака достигаются плотности и температуры, достаточные для эффективного протекания термоядерных реакций, рождается звезда. В недрах массивных звезд происходит термоядерный синтез химических элементов тяжелее гелия. Эти элементы попадают в первичную водородно-гелиевую среду при взрывах звезд или при спокойном истечении вещества со звездами. Элементы тяжелее железа образуются при грандиозных взрывах сверхновых звезд. Таким образом, звезды первого поколения обогащают первичный газ химическими элементами, тяжелее гелия. Эти звезды наиболее старые и состоят из водорода, гелия и очень малой примеси тяжелых элементов. В звездах второго поколения примесь тяжелых элементов более заметная, так как они образуются из уже обогащенного тяжелыми элементами первичного газа.

Процесс рождения звезд идет при продолжающемся сжатии галактики, поэтому формирование звезд происходит все ближе к центру системы, и чем ближе к центру, тем больше должно быть в звездах тяжелых элементов. Этот вывод хорошо согласуется с данными о содержании химических элементов в звездах гало нашей Галактики и эллиптических галактик. Во вращающейся галактике звезды будущего гало образуются на более ранней стадии сжатия, когда вращение еще не повлияло на общую форму галактики. Свидетельствами этой эпохи в нашей Галактике являются шаровые звездные скопления.

Когда прекращается сжатие протогалактики, кинетическая энергия образовавшихся звезд диска равна энергии коллективного гравитационного взаимодействия. В это время, создаются условия для образования спиральной структуры, а рождение звезд происходит уже в спиральных ветвях, в которых газ достаточно плотный. Это звезды третьего поколения . К ним относится наше .

Запасы межзвездного газа постепенно истощаются, рождение звезд становится менее интенсивным. Через несколько миллиардов лет, когда будут исчерпаны все запасы газа, спиральная галактика превратится в линзообразную, состоящую из слабых красных звезд. Эллиптические галактики уже находятся на этой стадии: весь газ в них израсходован 10-15 млрд. лет назад.

Возраст галактик равен примерно возрасту Вселенной. Одним из секретов астрономии остаётся вопрос о том, что из себя представляют ядра галактик. Очень важным открытием явилось то, что некоторые ядра галактик активны. Это открытие было неожиданным. Раньше считалось, что ядро галактики - это не больше чем скопление сотен миллионов звёзд. Оказалось, что и оптическое и радиоизлучение некоторых галактических ядер может меняться за несколько месяцев. Это означает, что в течение короткого времени из ядер освобождается огромное количество энергии, в сотни раз превышающее то, которое освобождается при вспышке сверхновой. Такие ядра получили название «активных», а процессы, происходящие в них, «активность».

В 1963 году были обнаружены объекты нового типа, находящиеся за приделами нашей галактики. Эти объекты имеют звездообразный вид. Со временем выяснили, что их светимость во много десятков раз превосходит светимость галактик! Самое удивительное то, что их яркость меняется. Мощность их излучения в тысячи раз превосходит мощность излучения активных ядер. Эти объекты назвали . Сейчас считается, что ядра некоторых галактик представляют собой квазары.

В современной астрономии наиболее широко используется самая первая классификация галактик, предложенная Эдвином Пауэллом Хабблом в 1926 году, и доработанная впоследствии им же, а затем Жераром де Вокулером и Аланом Сендиджем.

Эта классификация основана на форме известных галактик. Согласно ей, все галактики делятся на 5 основных типов:

Эллиптические (Е);

Спиральные (S);

Спиральные галактики с перемычкой - баром (SB);

Неправильные (Irr);

Галактики слишком тусклые, чтобы их можно было классифицировать, Хаббл обозначил символом Q.

Кроме того, в обозначениях галактик в этой классификации используются цифры, указывающие, насколько сплюснута эллиптическая галактика, и буквы - для указания, насколько плотно рукава спиральных галактик примыкают к ядру.

Графически эту классификацию представляют как ряд, который называют последовательность Хаббла (или камертон Хаббла из-за сходства схемы с этим инструментом).

Эллиптические галактики (тип Е) составляют 13% от общего числа галактик. Они выглядят как круг или эллипс, яркость которого быстро уменьшается от центра к периферии. По форме эллиптические галактики очень разнообразны: они бывают как шаровые, так и очень сплюснутые. В связи с этим они подразделены на 8 подклассов - от Е0 (шаровая форма, сжатие отсутствует) до Е7 (наибольшее сжатие).

Эллиптические галактики - наиболее простые по структуре. Они состоят в основном из старых красных и желтых гигантов, красных, желтых и белых карликов. В них нет пылевой материи. Образование звезд в галактиках этого типа не идет уже несколько миллиардов лет. Холодного газа и космической пыли в них почти нет. Вращение обнаружено лишь у наиболее сжатых из эллиптических галактик.

Спиральные галактики - самый многочисленный тип: они составляют около 50% всех наблюдаемых галактик. Большая часть звёзд спиральной галактики расположена в пределах галактического диска. На галактическом диске заметен спиральный узор из двух или более закрученных в одну сторону ветвей или рукавов, выходящих из центра галактики.

Различают два типа спиралей. У первого типа, обозначаемого SA или S, спиральные ветви выходят непосредственно из центрального уплотнения. У второго они начинаются у концов продолговатого образования, в центре которого находится овальное уплотнение. Создаётся впечатление, что две спиральные ветви соединены перемычкой, из-за чего такие галактики и называются пересеченными спиралями; они обозначаются символом SB.

Спиральные галактики различаются степенью развитости своей спиральной структуры, что в классификации отмечается добавлением к символам S (или SA) и SB букв а, b,с.

Рукава спиральных галактик имеют голубоватый цвет, так как в них присутствует много молодых гигантских звёзд. Все спиральные галактики вращаются со значительными скоростями, поэтому звёзды, пыль и газы сосредоточены у них в узком диске (звезды «Населения I»). Вращение в подавляющем большинстве случаев происходит в сторону закручивания спиральных ветвей.

Каждая спиральная галактика имеет центральное сгущение. Цвет сгущений спиральных галактик - красновато-жёлтый, свидетельствующий о том, что они состоят в основном из звезд спектральных классов G, K, и M (то есть самых маленьких и холодных).

Обилие газовых и пылевых облаков и присутствие ярких голубых гигантов спектральных классов О и В говорит об активных процессах звёздообразования, происходящих в спиральных рукавах этих галактик.

Диск спиральных галактик погружён в разреженное слабосветящееся облако звёзд - гало. Гало состоит из молодых звезд «Населения II», образующих многочисленные шаровые скопления.

В некоторых галактиках центральная часть имеет шарообразную форму и ярко светится. Эта часть называется балдж (от англ. bulge - утолщение, вздутие). Балдж состоит из старых звезд «Населения II» и, часто, сверхмассивной черной дыры в центре. У других галактик в центральной части располагается "звёздная перемычка" - бар.

Наиболее известные спиральные галактики - это наша Галактика Млечный Путь и туманность Андромеды.

Линзовидная галактика (тип S0) является промежуточным типом между спиральной и эллиптической галактиками. У галактик этого типа яркое центральное сгущение (балдж) сильно сжато и похоже на линзу, а ветви отсутствуют или очень слабо прослеживаются.

Состоят линзовидные галактики из старых звёзд-гигантов, поэтому и цвет их - красноватый. Две трети линзовидных галактик, подобно эллиптическим, не содержат газа, в одной трети содержание газа такое же, как у спиральных галактик. Поэтому процессы звездообразования идут очень медленными темпами. Пыль в линзовидных галактиках сосредоточена вблизи галактического ядра. К линзовидным галактикам относится около 10% известных галактик.

Для неправильных или иррегулярных галактик (Ir) характерна неправильная, клочковатая форма. Неправильные галактики характеризуются отсутствием центральных уплотнений и симметричной структуры, а также низкой светимостью. Такие галактики содержат много газа (в основном нейтрального водорода) - до 50% их общей массы. К этому типу относится около 25% всех звёздных систем.

Неправильные галактики делятся на 2 большие группы. К первой из них, обозначаемой как Irr I, относят галактики с намеком на определенную структуру. Деление Irr I не окончательное: так, если в изучаемой галактике обнаруживается подобие спиральных рукавов (характерны для галактик типа S), галактика получает обозначение Sm или SBm (имеет в своей структуре перемычку); если же подобного явления не наблюдается - обозначение Im.

Ко второй группе неправильных галактик (Irr II) относятся все остальные галактики с хаотичной структурой.

Есть еще и третья группа неправильных галактик - карликовые, обозначаемые как dI или dIrrs. Считается, что карликовые неправильные галактики похожи на наиболее ранние галактические образования, существовавшие во Вселенной. Некоторые из них представляют собой небольшие спиральные галактики, разрушенные приливными силами более массивных компаньонов.

Характерными представителями таких галактик является Большое и Малое Магеллановы Облака . В прошлом считалось, что Большое и Малое Магеллановы облака относятся к неправильным галактикам. Однако позже было обнаружено, что они имеют спиральную структуру с баром. Поэтому эти галактики были переквалифицированы в SBm, четвёртый тип спиральных галактик с баром.

Галактики, которые обладают теми или иными индивидуальными особенностями, не позволяющими отнести их ни к одному из перечисленных выше классов, называются пекулярными .

Пример пекулярной галактики - радиогалактика Centaurus A (NGC 5128).

Классификация Хаббла является на данный момент самой распространенной, но не единственной. В частности, широко используются Система де Вокулёра, представляющая собой более расширенную и переработанную версию классификации Хаббла, и Йеркская система, в которой галактики группируются в зависимости от их спектров, формы и степени концентрации к центру.

Ясной безлунной ночью, вдалеке от больших городов, на бархатно-черном небе разливает свои воды небесная река Млечного Пути. Однако кроме этой "молочной реки" пытливый взор обнаружит на небе и другие туманные пятна, перемещающиеся вместе со звездами. В северном полушарии одно из таких пятен заметно неподалеку от звезды Андромеды. А бинокль или подзорная труба позволят найти уже несколько десятков таких объектов.

В конце XVIII века французский астроном Шарль Мессье составил первый каталог этих туманностей, дабы не путать их с кометами, поисками которых он занимался. Как мы знаем сегодня, в его каталог вошли существенно разные по природе объекты, в том числе и несколько галактик.

Шло время, астрономы открывали на небе все новые галактики, но эти объекты по-прежнему считались обычными туманностями. Настоящее понимание их природы стало проясняться лишь после того, как в начале нашего века шведский Астроном Кнут Лундмарк доказал, что туманность в созвездии Треугольника - это огромная звездная система. А когда астрономы научились надежно определять расстояния до далеких небесных объектов, выяснилось, что галактик во Вселенной существует огромное множество.

Что же такое галактика? Прежде всего - это большая система, в которой звезды связаны друг с другом силами гравитации. Помимо звезд галактики включают в себя межзвездный газ и пыль, а также различные экзотические объекты: белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры. Газ в галактиках не только рассеян между звездами, но и образует большие облака и газопылевые туманности.

Мы тоже живем в Галактике, название которой пишем с большой буквы, потому что она - наша, а Млечный Путь представляет собой множество слабых звезд, расположенных в ее плоскости.

Галактики бывают самые разнообразные. Встречаются огромные системы, насчитывающие триллионы солнц. С другой стороны, есть карликовые галактики, которые больше напоминают шаровые скопления, и число звезд в них не превышает нескольких сотен тысяч. Наша Галактика достаточно велика - в ней около 200 миллиардов звезд.

Массы галактик также лежат в широких пределах. Нормальные галактики в миллиард-триллион раз тяжелее Солнца. Карликовые галактики менее массивны - наименьшие из наблюдаемых лишь в 100 тысяч раз тяжелее Солнца. И тут мы имеем солидный вес - масса нашей Галактики оценивается в несколько сотен миллиардов масс Солнца.

В 1925 году американский астроном Эдвин Хаббл предложил классификацию галактик по их формам, внешнему виду. Более поздние классификации галактик придерживаются схемы, предложенной Хабблом.

Эллиптические галактики . Они составляют четвертую часть от общего числа галактик и обозначаются буквой Е. На фотографиях они похожи на шар или эллипс. В зависимости от вытянутости эллипса галактике присваивается класс от 0 до 7. Галактики класса Е0 выглядят шарообразными, а галактики Е7 - как сильно вытянутый эллипс. Цвет у эллиптических галактик имеет красноватый оттенок, так как состоят они преимущественно из старых звезд. Межзвездного газа в таких системах почти нет. По общему виду эллиптические галактики похожи на шаровые звездные скопления, но только очень большие.

Спиральные галактики . К этому классу относится половина всех галактик. По внешнему виду они напоминают чечевицу или двояковыпуклую линзу. При этом толщина спиральной галактики в десятки раз меньше ее диаметра. На их фотографиях виден спиральный узор в виде двух или более (до десятка) закрученных в одну сторону спиральных ветвей или рукавов, выходящих из центра галактики.

На фоне диска галактик рукава выделяются по яркости, так как в них находится много массивных и ярких звезд, а также ярких газовых туманностей. Большинство звезд концентрируется к плоскости симметрии, называемой плоскостью галактики, образуя диск. Чем моложе звезды, тем сильнее они концентрируются к галактической плоскости. В центральной части диска находится утолщение - балдж, переходящий на больших расстояниях в гало галактики. Гало состоит из старых звезд и шаровых скоплений, которые образуют сферическую систему и не тяготеют к плоскости галактики. Самые внешние области галактик часто называют коронами.

В спиральных галактиках много межзвездного газа - до 15% от их общей массы. Много в них и молодых звезд, образовавшихся совсем недавно по сравнению с возрастом самих галактик. Примерно у половины спиральных галактик в центральной части на фотографиях видна почти прямая перемычка, называемая баром.

Обозначают спиральные галактики буквой S. Галактики с яркой, протяженной центральной частью и слабо развитыми спиралями относят к классу Sa. Если же спирали более мощные и четкие, а центр менее выделяется, то галактике присваивают индекс Sc. Промежуточный класс обозначают Sb. Если у галактики имеется центральная перемычка-бар, то к обозначению добавляется буква В, например, SBb.

Наша Галактика тоже относится к классу спиральных, возможно с баром, и Солнце располагается почти точно в ее галактической плоскости. Поэтому большинство звезд нашей системы мы видим в пределах полосы на небе в виде Млечного Пути.

Линзовидные галактики . Это промежуточный тип между спиральными и эллиптическими галактиками. У них есть балдж, гало и диск (линза), но нет спиральных рукавов. Такие галактики обозначаются S0. Среди всех галактик их примерно 20%.

Неправильные галактики . К этому классу относят остальные 5% галактик, не попавших в предыдущие. Для них характерна неправильная, клочковатая форма, возможны зачатки спиральных ветвей. Газа в таких объектах очень много - до половины от общей массы. Неправильные галактики имеют обозначение Ir.

Э. Хаббл расположил типы галактик в порядке увеличения процентного содержания газа и уменьшения вклада сферической составляющей:

Позже выяснилось, что не все галактики вмещаются в простую классификацию Хаббла. Наряду с нормальными галактиками существуют и карликовые . У них своя классификация, однако и в ней можно выделить карликовые эллиптические, дисковые и неправильные галактики, хотя спиральной структуры при этом в карликовых галактиках почти никогда не наблюдается.

Существует также класс больших галактик, яркость у которых намного меньше, чем у обычных. Ненормальным в них является отсутствие ярких звезд, которые по загадочным причинам не образуются в этих галактиках. Такие галактики называют анемичными (то есть "хилыми").

В то же время встречаются галактики, в которых происходят бурные внутренние процессы, связанные с интенсивным образованием звезд. Примером может служить объект М82 из созвездия Большой Медведицы - неправильная галактика, вещество которой в центральных областях движется с большими скоростями, "кипит". Выделяют также класс галактик с высоким содержанием молодых звезд и большой концентрацией вещества, называя их по внешнему виду голубыми компактными галактиками.

Галактики, об активности которых свидетельствует повышенное радиоизлучение, цвет, нетипичные для большинства спектральные линии, также выделяют в отдельные группы.

Галактики склонны образовывать группы и скопления. Так, наша Галактика входит в так называемую Местную группу галактик, в которой около тридцати разнообразных звездных систем, включая Туманность Треугольника и Туманность Андромеды.

А что будет, если две галактики окажутся очень близко друг к другу? Их свойства и внешний вид изменятся. На фотографиях таких пар или тесных групп галактик можно заметить хвосты и перемычки из газа и звезд, галактики часто окружены общей газовой оболочкой, их форма сильно искажена вследствие взаимного притяжения. Подобные галактики астрономы называют взаимодействующими .

Существуют также галактики-каннибалы, пожирающие своих меньших соседей, затягивая их своим гравитационным полем. В центрах многих больших скоплений галактик располагаются настоящие резиденции "королей каннибалов" - гигантских эллиптических галактик. Они "заглатывают" окружающий газ и медленно падающие на них мелкие галактики скопления.

Галактики объединяются в группы из десятков галактик и в скопления из сотен и даже тысяч галактик. Сами скопления образуют систему сверхскоплений, которые строят крупномасштабную структуру Вселенной.

Галактики являются сложными самоорганизующимися объектами, сравнимыми по уровню сложности с клеткой - основой всего живого. Изучение их в настоящее время активно продолжается, и все новые и новые загадки ждут своего часа.