Галактики. Большой путеводитель по Вселенной - Джеймс Гич

Другим важным достижением космической обсерватории IRAS стало открытие популяции галактик, испускающих огромное количество инфракрасного излучения – более чем в 1000 млрд раз больше яркости Солнца. Они были названы ультраяркими инфракрасными галактиками. Наряду с квазарами эти галактики входят в число самых ярких объектов во Вселенной. Хотя некоторые из них были ранее известны по итогам наблюдений в оптическом свете, они не считались такими уж особенными. Только когда IRAS показал их в интенсивном инфракрасном свете, астрономы начали обращать внимание на эти галактики.

Что стимулирует интенсивную активность в этих конкретных галактиках? Почему они намного более экстремальны, чем, скажем, наш Млечный Путь или близлежащая M31?

Галактическое насилие

При ближайшем рассмотрении выясняется, что практически каждая ультраяркая инфракрасная галактика в Местной группе была либо иррегулярной, либо измененной в процессе гравитационного объединения двух галактик – слияния. Галактики – не жесткие структуры: они больше похожи на капли жидкости, которые могут быть сплющены и сдавлены гравитационными силами. В процессе столкновения «галактика – галактика» сильные приливные силы, воздействующие на газ и звезды взаимным гравитационным притяжением двух (или более) галактик, резко искажают форму каждого участника столкновения. Например, для двух спиральных галактик такой процесс обычно включает в себя разрыв звезд и газа в спиральных рукавах на длинные замыкающие нити, когда галактики сначала приближаются, а затем летят друг за другом – этот процесс может повторяться несколько раз в зависимости от относительных скоростей. Иногда вместо того чтобы пролететь мимо скользящим ударом, потянув за собой звезды, газ и пыль в стычке, две галактики могут разбиться прямо друг о друга, резко перераспределяя свое вещество, иногда самым впечатляющим образом – образуя, к примеру, кольцевые галактики. В конце концов обе галактические системы «тонут» в общем потенциальном источнике, где они находятся.

Вы можете построить простую модель динамики слияний галактик на своей кухне с помощью пары шариков или любой другой вращающейся сферы, а также большой чаши. Запустите эти два шарика кататься по краю чаши – схема их движения будет аналогична двум сливающимся галактикам с заданными начальными скоростями. Дайте одному шарику дополнительный толчок на краю чаши и посмотрите на эффект – форма и сила гравитационного потенциала здесь моделируются глубиной и формой сторон чаши.

Во время слияний газ в дисках возмущается и сжимается. Этот процесс, когда ударные волны и турбулентность распространяются через систему, вызывая возмущения плотности в газе, может способствовать коллапсу гигантских молекулярных облаков – это идеальный шторм для запуска нового звездообразования, ведь такие возмущения плотности быстро растут под действием локальных сил гравитации (гравитация работает на всех масштабах, управляя как движением сливающихся галактик, так и внутренним поведением газа и звезд) и в итоге запускают формирование звезд. К финалу слияния бо́льшая часть дискового газа может попасть в ядерные области слитой галактики, образуя плотный молекулярный комплекс, охватывающий, возможно, несколько тысяч парсек. При достижении высоких плотностей и наличии обширного резервуара молекулярный газ может подпитывать образование звезд с очень высокой скоростью – до сотен или тысяч солнечных масс новых звезд в год. Мы называем это звездным взрывом.

В течение нескольких миллионов лет многие образовавшиеся массивные молодые звезды начинают умирать в сверхновых и загрязнять галактику большим количеством пыли (в дополнение к уже имеющейся). Поэтому галактики, в которых происходит интенсивный процесс звездообразования, часто сильно затенены. При этом бо́льшая часть пыли находится рядом с активными участками звездообразования, поскольку массивные звезды умирают вблизи звездных яслей, не имея достаточно времени для миграции. Таким образом галактики, подобные ультраярким инфракрасным, собирают звездную массу в яростных эпизодах звездообразования, но бо́льшая часть этой деятельности скрыта под пылевой мантией. Последняя нагревается и испускает дальнее инфракрасное излучение – именно так мы его и обнаружили.

Классический пример продолжающегося слияния – метко названные галактики Антенны. В нашей однометровой коробочной модели локальной Вселенной галактики Антенны будут находиться примерно в 70 см от Млечного Пути, что эквивалентно примерно 14 Мпк. Вы все еще можете различить, что это были две галактики, которые, вероятно, выглядели как довольно типичные спирали, но в результате столкновения их некогда правильная морфология грубо исказилась. Теперь изогнутые диски смешались, образовав два плотных скопления звезд, газа и пыли, приправленные областями HII с их отличительным свечением, которые зажигают новые звезды, воспламеняемые, вероятно, приливными силами, действующими на газовые облака. От объединяющегося ядра тянутся два длинных звездных потока – антенны, – вырванные из дисков галактик во время более ранней стадии слияния, когда галактики проходили близко друг к другу. Слитые в гравитационном танце, две галактики становятся одной – этот процесс, вероятно, длится около миллиарда лет. С Антеннами и другими галактиками на разных этапах танца слияния мы можем наблюдать этот астрофизический процесс в действии.

На снимке две галактики вовлечены в гравитационный танец – это пара взаимодействующих спиральных галактик Arp 273, слитых гравитацией. Гравитационное слияние оказывает приливное воздействие на звезды, газ и пыль, искажая структуру каждой галактики. В конце концов пара объединится в новую систему, перераспределив в процессе звезды и газ. Взаимодействие может вызвать коллапс газовых облаков в дисках галактик, и поэтому результатом таких слияний систем часто становится формирование новых звезд

Еще одна известная пара взаимодействующих галактик – Антенны. Снимок сфокусирован на ядрах двух галактик, близких к слиянию. Красный свет показывает присутствие HII, связанного с новыми звездами, которые обретают жизнь, когда гравитационное взаимодействие разжигает и сжимает холодный газ (первоначально он был расположен в дисках двух галактик). Многие только что родившиеся звезды можно увидеть в синем свете – как всегда, межзвездная пыль не позволяет части оптического света проходить сквозь нее, особенно в тех областях, где звездообразование активнее всего

Столкновения между двумя телами одинаковой массы – например, будущее столкновение между M31 и Млечным Путем или продолжающееся столкновение между галактиками Антенны – называются крупными слияниями. Они вызывают драматические эволюционные изменения: ощутимо увеличивают массу галактики, вызывают образование новых звезд и рост черной дыры (поскольку доставка газа в центральную область обеспечит топливо, из которого может расти центральная черная дыра), трансформируют морфологию, обогащают и взбалтывают межзвездную среду, а также распространяют тяжелые элементы. С другой стороны, «незначительные» слияния большой галактики и гораздо меньших систем встречаются чаще. Отчасти это объясняется тем, что галактики с меньшей массой гораздо более многочисленны, чем системы с большей (распределение галактик различной массы называется функцией массы, или функцией светимости). Также галактики с меньшей массой часто располагаются вокруг бо́льших систем в качестве спутников, увеличивая вероятность слияния. Отличный пример – наша Галактика. Мы уже говорили о двух крупнейших галактических спутниках, Большом и Малом Магеллановых Облаках, но Млечный Путь также окружен отрядом из нескольких десятков карликовых галактик малой массы, расположенных на расстояниях от 10 до нескольких сотен тысяч парсек. Этим карликам присваиваются имена в соответствии с созвездиями, в которых их можно увидеть на небе, поэтому у нас есть такие спутники, как карликовая эллиптическая галактика в Стрельце, карликовая галактика в Драконе, карликовая сфероидальная галактика Лев IV и многие другие. Новые карлики обнаруживаются каждые несколько лет: несмотря на их близость, найти такие объекты довольно сложно из-за их малой массы (и, следовательно, низкой поверхностной яркости), а также вследствие того, что они разбросаны по большим областям неба, поэтому для их обнаружения требуются большие площади обзора.