Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Эллиптические галактики в подавляющем большинстве не содержат холодного газа и пыли, которые могли бы превращаться в звезды. Поэтому они населены старыми маломассивными звездами и имеют желтовато-красноватый цвет, свойственный этим объектам. Такие галактики могут быть как легкими, так и тяжелыми. Самые массивные галактики – это гигантские эллиптические системы, находящиеся в центрах крупных скоплений галактик. Как правило, они формировались в результате многократных слияний и поглощений, а также аккреции большого количества газа, а в центрах таких галактик находятся очень массивные черные дыры. Звезды в эллиптических галактиках вращаются по вытянутым орбитам, ориентированным под разными углами друг к другу, а как целое эллиптические галактики вращаются медленно.

Эллиптические галактики населены в основном старыми маломассивными звездами.

Многие галактики в процессе своего формирования приобретают диск. Появление такой структуры означает, что когда-то в галактику так или иначе попало большое количество газа со значительным моментом импульса (иногда используют термин «угловой момент»), который затем частично превращается в звезды. В результате возникает сильно уплощенная вращающаяся структура из звезд, газа и пыли.

Линзовидные галактики, как и спиральные, имеют диск, но в нем уже недостаточно газа для активного звездообразования. Такие диски не имеют заметных спиралей, в которых велик темп формирования звезд. Линзовидные галактики достаточно многочисленны, особенно в скоплениях. В классическом варианте классификации, предложенном Хабблом (так называемый камертон Хаббла), они занимают промежуточное положение между эллиптическими и спиральными.

Наиболее известны спиральные галактики. В их дисках достаточно газа для образования новых поколений звезд, именно в спиральных рукавах идет наиболее активное звездообразование – там возникает большое количество ярких голубых массивных звезд с коротким временем жизни, которые и очерчивают спиральный узор, придавая ему бело-голубоватый цвет. Существует несколько механизмов образования спиралей: связанные с воздействием близкой галактики или бара внутри самой галактики, процессами звездообразования и др. В 1964 г. Цзя-цзяо Линь (Chia-Chiao Lin) и Фрэнк Шу (Frank Shu) заложили основы теории волн плотности, которая затем была использована для объяснения появления спирального узора. В этой модели спирали связаны с уплотнением звезд, которое в масштабах галактики имеет характер волны, движущейся по диску с постоянной угловой скоростью. Это уплотнение звезд приводит, в свою очередь, к уплотнению газа за счет формирования области с более глубоким гравитационным потенциалом.

Важно понимать, что звездная плотность между спиральными рукавами лишь ненамного меньше, чем в рукавах. Разница состоит в звездном населении: массивные яркие звезды имеют небольшую продолжительность жизни, и поскольку они в основном рождаются в рукавах, то между ветвями их мало. Спиральный узор вращается, но его скорость на разных расстояниях от центра галактики отличается от скорости вращения звезд (кроме узкой зоны коротации, вблизи которой, возможно, находится и Солнце). Как правило, скорость спирального узора меньше скорости вращения звезд, так что долгоживущие звезды диска, совершающие за время своей жизни много оборотов вокруг центра галактики, периодически догоняют спиральные рукава и проходят сквозь них.

Кроме дисков со спиральной структурой, где формируются новые поколения звезд, у большинства спиральных (и линзовидных) галактик также есть балджи. Это центральные образования примерно сферической формы размером до нескольких тысяч световых лет, состоящие в основном из старых маломассивных звезд. Звездообразование в балджах линзовидных галактик практически не идет из-за отсутствия необходимого для этого газа, хотя небольшое его количество нередко все же наблюдается вблизи центров таких галактик. В спиральных галактиках газ и молодые звезды могут присутствовать на любом расстоянии от центра, в том числе и внутри балджа, но за редким исключением только вблизи плоскости звездного диска.

Среди спиральных и линзовидных галактик отдельно выделяют подклассы объектов, содержащих звездную или звездно-газовую перемычку – так называемый бар. Одним из наиболее известных примеров таких галактик является NGC 1300. Считается, что и наша Галактика имеет в центре бар.

Галактики часто имеют иррегулярную структуру из-за взаимодействия с другими (обычно более массивными) галактиками.

Спиральные галактики могут обладать богатой морфологией и имеют разнообразные параметры. Так, например, известны галактики с кольцами – красивыми образованиями, происхождение которых в ряде случаев остается неясным. Иногда в отдельный подкласс выделяют так называемые анемичные спиральные галактики, в которых мало газа. Отсутствие активного образования массивных звезд приводит к появлению спиральных галактик, отличающихся более красным цветом.

Некоторые маломассивные галактики не имеют четко выраженной структуры, при этом они классифицируются как неправильные (иррегулярные). Часто иррегулярная структура связана не только с малой массой, но и с взаимодействием с другими галактиками (в нашей стране большой вклад в изучение взаимодействующих галактик внес Борис Воронцов-Вельяминов, составивший первый большой атлас и каталог таких объектов) или с активным звездообразованием. Например, подробный анализ кинематики звезд Большого Магелланового Облака (нашего спутника) показал, что его структура была существенно видоизменена при взаимодействии с нашей Галактикой. До этой метаморфозы, придавшей Облаку иррегулярный вид, оно, возможно, было небольшой спиральной галактикой с баром. Примером неправильной галактики с высоким темпом звездообразования может служить М82 в созвездии Большой Медведицы (детальные исследования показали наличие у нее спиралей и бара).

Первые галактики начинают формироваться примерно спустя пару сотен миллионов лет после Большого взрыва из уже сложившихся к тому времени «строительных блоков», содержащих темное вещество, газ, первые звезды и их остатки. Процесс образования галактик первые 2–3 млрд лет идет очень бурно, а затем постепенно сходит на нет.

Процесс бурного формирования галактик занимает несколько миллиардов лет.

Вероятный сценарий формирования галактик, базирующийся на численных моделях поведения материи в расширяющейся Вселенной, в общих чертах выглядит следующим образом. В ранней Вселенной возникают флуктуации в распределении плотности вещества, с некоторого момента эти флуктуации начинают расти, контраст плотности между ними и окружающей средой увеличивается. Вначале этот рост обеспечивает только темное вещество, поскольку обычное (барионное) вещество еще связано с излучением, препятствующим росту плотности. Затем, после эпохи рекомбинации, к росту флуктуаций подключаются и барионы. Изначально флуктуации плотности возникают на всех масштабах, но мелкие при этом растут быстрее. В какой-то момент они становятся примерно вдвое плотнее, чем окружающие области такого же размера, и расширение Вселенной перестает влиять на них, а рост плотности в них продолжается. Более крупные флуктуации достигнут этой стадии позже, когда расширение Вселенной уже существенно понизит среднюю плотность вещества. Поэтому более мелкие объекты (например, гало темного вещества с массой около миллиона масс Солнца, в которых зарождаются первые звезды) возникают первыми и имеют бóльшую среднюю плотность, а самые крупные (в настоящее время ими являются самые большие скопления галактик) формируются позже (к красному смещению около z ≈ 2, что соответствует 3–4 млрд лет после начала расширения) и продолжают расти в нашу эпоху. О формировании достаточно крупных галактик можно говорить примерно с эпохи, соответствующей z ≈ 10 (около полумиллиарда лет после Большого взрыва), когда возникают гало с массами в десятки миллионов масс Солнца, способные удержать своей гравитацией газ после первой вспышки звездообразования.