Лев Мухин - Мир астрономии

Конечно, подобные процессы наблюдаются не в каждом скоплении галактик. Иногда взаимодействие галактик может иметь характер лобового столкновения. При таком столкновении центральные области одной из галактик — участниц катастрофы — могут быть выброшены наружу. В результате образуется кольцевая структура, представляющая собой неустойчивую, короткоживущую систему. Астрономам известно несколько кольцевых галактик.

Здесь у читателя может возникнуть вполне уместный вопрос. Ведь хорошо известно, что галактики разлетаются друг от друга вследствие общего космологического расширения Вселенной. О каких же столкновениях может идти речь?

Ключ к пониманию этих процессов лежит в поведении, во взаимодействии отдельных частей гравитационно связанных систем. Наиболее наглядный пример в этом плане представляет собой наша Солнечная система, которая никак не реагирует на общее космологическое расширение. То же самое характерно и для звезд внутри нашей Галактики. Именно поэтому, если какие-то системы связаны гравитационно, они остаются в пространственной близости друг от друга.

Разумеется, закон всемирного тяготения описывает гравитационное взаимодействие на любых расстояниях. И в принципе любые системы во Вселенной гравитационно связаны между собой, в том числе и галактики, которые разбегаются друг от друга. Все дело в том, что в достаточно тесных, компактных по космическим масштабам образованиях, конечно, может существовать достаточно сильное гравитационное взаимодействие, определяющее собственную динамику поведения системы.

Так, например, наш Млечный Путь, Большое и Малое Магеллановы облака, Галактика Андромеды со своим спутником и ряд других небольших галактик-спутников образуют группу галактик, называемую Местной группой, или Местной системой галактик. (Небольшие группы галактик — обычное явление в космосе. Типичная группа может содержать несколько десятков галактик.)

Не только динамика взаимодействия галактик друг с другом заставляет вспомнить общее космологическое расширение. Существует еще одно немаловажное обстоятельство, связанное со строением галактик, которое может самым радикальным образом повлиять на характер расширения Вселенной. Что здесь имеется в виду?

В спиральных галактиках звезды, находящиеся в диске, обращаются вокруг общего центра масс. Движение этих звезд, а в общем случае не только звезд, но и пыли и газа, точно так же как и движение планет в Солнечной системе, определяется законом всемирного тяготения. Действительно, на стабильной орбите сила тяготения равна центробежной силе:

GM rm / r 2 = m V r 2/ r ,

где M r — масса, заключенная в пределах от 0 до r , V r — орбитальная скорость массы m . Если масса сосредоточена в центре, то изменение скорости происходит по закону 1/√r, то есть по хорошо известному закону Кеплера.

Обычно в галактиках максимум яркости приходится на центр, а к периферии яркость быстро падает. Долгие годы астрономы полагали, что яркость пропорциональна массе, и поэтому масса, как и яркость, также уменьшается с расстоянием от центра Галактики. В этом случае вполне естественно было ожидать, что орбитальные скорости звезд должны меняться по закону Кеплера, другими словами, уменьшаться с увеличением расстояния от центра Галактики.

В последнее время выполнены тщательные наблюдения вращающихся дисков многих спиральных галактик. Эти наблюдения принесли поистине сенсационные результаты. Оказалось, что в удаленных от центра галактик районах скорость вращения не уменьшается по мере увеличения радиуса. Более того, в ряде случаев она увеличивается. Не нашлось буквально ни одной сколь-либо протяженной области внутри изученных галактик, в которой скорость вращения уменьшалась бы с увеличением расстояния от центра. Но, поскольку закон всемирного тяготения незыблем, этот факт может означать лишь одно: масса в отличие от яркости отнюдь не концентрируется к центру спиральных галактик.

И это еще не все. В галактиках есть невидимая масса, корректирующая скорости орбитальных движений. По всей видимости, спиральные галактики окружены мощной сферической короной невидимого вещества, причем размеры этой короны простираются далеко за пределы видимого диска галактик. Судя по всему, именно существование этого невидимого вещества и его гравитационное притяжение препятствуют уменьшению скорости вращения с увеличением расстояния от центра.

Косвенные указания на присутствие в нашей Галактике значительной невидимой массы были замечены около тридцати лет назад знаменитым голландским астрономом Я. Оортом, в честь которого назван кометный резервуар, находящийся на расстоянии более ста тысяч астрономических единиц от Солнца (знаменитое облако Оорта). Оорт оценил массу звезд и газа, которая требуется для стабилизации звезд, сферической составляющей нашей Галактики — «гало».

Сейчас, после недавних измерений кривой вращения многих спиральных галактик, оказалось, что наличие в них большой невидимой массы — повсеместное явление в космосе. Массивная корона невидимой материи может распространяться в некоторых случаях на величину до трех радиусов диска. Если включить (а это совершенно необходимо) корону в картину общей морфологии нашей Галактики, то окажется, что наше Солнце и, соответственно, Солнечная система расположены отнюдь не на периферии Галактики, как считалось совсем недавно.

Но это не самый важный вывод из наблюдений. Самое главное в том, что невидимая масса вполне может остановить расширение Вселенной. Мы помним, что значение критической плотности во Вселенной, то есть такой плотности, при которой Вселенная становится замкнутой и ее расширение рано или поздно сменится сжатием, составляет ρ кр ≈ 10 –29 г/см 3. Для достижения ρ кр плотность невидимого, ненаблюдаемого вещества должна примерно в 70 раз превышать плотность светящейся материи. Когда астрономы начали подсчитывать значение невидимой массы, оказалось, что оно может в некоторых случаях при переходе к все большим и большим системам, достигать значений, близких к критическим.

Конечно же, следует учитывать то обстоятельство, что здесь степень нашего незнания определяется отсутствием информации о том, какая доля массы спиральных галактик недоступна сейчас для наблюдений. Вопрос о том, что представляет собой эта невидимая масса, также нельзя считать решенным. Ненаблюдаемая материя может быть представлена несостоявшимися звездами — гигантскими планетами типа Юпитера, а может быть, блуждающими планетами еще большей, чем Юпитер, массы. Быть может, это черные дыры. Наиболее «удобный» на сегодня кандидат — нейтрино, обладающие массой покоя, или гипотетические тяжелые частицы — монополи, фотино, гравитино. Многие из этих экзотических частиц могли в принципе дожить со времени начала Большого Взрыва и до наших дней (в том случае, конечно, если они устойчивы). Итак, мы видим, что кропотливое и тщательное изучение галактик дает материал исключительной важности для решения глобальных проблем космологии.