Галактики. Большой путеводитель по Вселенной - Джеймс Гич

Центробежные силы действуют на газ во вращающемся диске, выталкивая его в радиальном направлении наружу и против действия силы тяжести, предотвращая его коллапс в единый комок. Если момент импульса не потерян, галактика может сохранять диск в течение длительных периодов. Это каноническая картина. Хотя точная физика формирования диска немного сложнее, это основное представление, которое объясняет существование дисковых галактик, подобных нашей. Поскольку в диске присутствует дифференциальное вращение (это не твердое тело; газ относительно свободно связан внутри самого диска), спиральные рукава могут образовываться из-за возмущений плотности, которые распространяются через вращающийся диск. Газ и новые звезды, которые находятся на орбите центра галактики, могут накапливаться в виде пятен при прохождении волны плотности. Источником волны может стать случайное возмущение гравитации или диска, вызванное, например, соседним гало, или аккреция спутника.

Часто приводимая аналогия – автомобили, которые образуют локализованную, медленно распространяющуюся пробку на автомагистрали, вызванную, возможно, медленным движением какой-то из машин. Проходя мимо быстро движущихся автомобилей (некоторые обгоняют, некоторые застряли сзади), мы сталкиваемся с небольшим скоплением людей, которые могут распространяться вдоль дороги. Медленно движущаяся машина похожа на волну плотности, и когда она распространяется через диск, вокруг него могут образовываться газ и звезды. Однако поскольку диск также вращается по-разному, сгустки газа и звезд намотаны в виде спирали. Эти ветви выделяются еще больше, потому что увеличение плотности газа приводит к увеличению скорости звездообразования (волны плотности могут инициировать образование звезд, вызывая разрушение газомолекулярных облаков). Поэтому в спиральных галактиках мы видим, что их рукава полны ярких синих звезд и пятен эмиссии ионизированного газа.

Если момент импульса диска рассеян (например, в результате слияния двух галактик) вращательная поддержка будет потеряна, а система превратится в нечто, больше похожее на балдж или эллиптическую галактику, форма которой определяется тем фактом, что звезды перемещаются на случайные, а не круглые орбиты вокруг общей массы. Эти системы называются системами с «поддержкой под давлением» или «с преобладанием дисперсии». Одними из таких систем являются эллиптические галактики: это продукт накопления большого количества слияний в начале их истории, стерших любое упорядоченное вращение, которое когда-то могли иметь составляющие их звезды. Кстати, эта бурная ранняя история может также объяснить их старый звездный возраст: если слияния произошли в начале эволюции эллиптических галактик (которые образуются в самых плотных средах), то это могло вызвать интенсивный рост звездообразования, очень быстро истощая бо́льшую часть газа.

Образование балджа дисковой галактики, не поддерживаемой вращением, – немного спорный вопрос. Некоторые балджи могут принимать миниатюрные эллиптические формы в результате незначительного слияния с небольшими системами в начале истории галактики. Классический балдж может затем приобрести диск путем аккреции свежего газа способом, описанным выше. Однако балджи могут расти и со временем, так как газ и звезды направляются и транспортируются в центр галактики через динамические неустойчивости, вызывающие потерю момента импульса. Достигнув высокой плотности, ядерное звездообразование может быть запущено с депозицией звездной массы в ядре и раздутием того, что называется псевдобалджем. Вполне вероятно, что галактические балджи образуются в результате и того, и другого процесса – в Рим ведет много дорог.

Шаги вперед

Поле эволюции галактик – одна из самых ярких иллюстраций мощи науки как инструмента для понимания мира. Мы начали с простого вопроса: что это за слабые туманности между звездами? У нас были идеи, правильные и неправильные, но именно простое, осторожное и тщательное наблюдение неба содержало ключ к осознанию того, что эти блики – внешние независимые звездные системы, отделенные от нас почти невероятным космическим пространством. Затем мы обнаружили, что существуют разные типы галактик и что они не статичны, а движутся относительно нас, удаляясь от Земли со скоростью, которая увеличивается с расстоянием. В замечательный период начала XX века само наше представление о Вселенной изменилось. Космос оказался намного больше и богаче, чем наши предки могли представить. Мы сделали огромный шаг вперед как вид.

Теперь, в начале XXI века, когда после тех первых шагов сменилось уже несколько поколений астрономов, мы значительно расширили эту картину, рассматривая галактики глубже, дальше и более детально. Мы сделали карты всего неба на разных длинах волн света, обнаружив миллионы галактик и отобразив их распределение по группам, филаментам и скоплениям (и даже скоплениям скоплений). Мы изобразили глубокие, хотя и маленькие участки неба, похожие на замочные скважины во времени, чтобы исследовать момент, когда Вселенная находилась в зачаточном состоянии, когда она составляла собой примерно десятую часть своего нынешнего размера, через полмиллиарда лет после Большого взрыва. Мы измерили, как галактики изменились за всю космическую историю, определили их химию, состав, форму и динамику и сформулировали это в единой теоретической модели, которая, как нам сейчас представляется, точно описывает крупномасштабную эволюцию Вселенной в целом.

И все же кажется, что мы только-только сделали первый шаг. В космосе так много всего, что нужно знать. Следующие два десятилетия станут свидетелями значительных достижений, которые превзойдут все, что мы узнали до сих пор, – как в результате проведения наблюдений, так и при построении теоретических моделей.

Следующее поколение телескопов разрабатывается и изготавливается с одной простой целью – видеть более четко, чем сейчас. Мы уже упоминали комплекс радиотелескопов ALMA, простирающийся на 16 км в пустыне Атакама, который позволит нам измерить химический состав и динамику холодных межзвездных сред, холодного газа и пыли в звездообразующих галактиках через космическое время. В результате наблюдений за молекулярным топливом, образовавшим все звезды, которые мы видим вокруг нас, атакамский комплекс дополнит «недостающее звено» эволюции галактик. Хотя сегодня уже существуют телескопы, которые позволяют нам обнаруживать газ в далеких галактиках, пока мы ограничены только самыми яркими галактиками – с наибольшим количеством газа. ALMA– это большой шаг вперед, который позволит обнаруживать газ в галактике, подобной Млечному Пути и видимой всего через несколько миллиардов лет после Большого взрыва. Перед нами – неизведанная территория для изучения эволюции галактик.

Одним из таких движущих науку инструментов станет и SKA (от англ. Square Kilometre Array – «[Антенная] решетка [площадью] в квадратный километр») – международный проект по созданию крупнейшего в мире радиоинтерферометра. SKA – радиотелескоп с площадью сбора в миллион квадратных метров, достаточно чувствительный, чтобы «обнаружить радиосигнал от радаров аэропорта на планете, удаленной на 50 световых лет». После завершения этот комплекс станет переломным моментом в радиоастрономии. Его строительство еще не закончено, но уже готовы два радиотелескопа, входящие в состав большого радиотелескопа Pathfinder («Следопыт»), – прототипы технологии SKA – MeerKAT и ASKAP, расположенные в Южной Африке и Австралии соответственно. Эти «следопыты»– самые мощные из когда-либо созданных радиотелескопов, способные обнаруживать почти каждую звездообразующую галактику и активное ядро галактики за почти половину истории Вселенной. Мы находимся на пороге сокровищницы с неисчислимыми богатствами.