Дисковая галактика

Галактики — это одни из самых впечатляющих своей красотой космических систем. Они состоят из огромного множества гравитационно взаимосвязанных звезд, вращающихся вокруг общего центра масс — ядра, которое во многих случаях представляет собой сверхмассивную черную дыру. Наиболее распространенным типом галактик в наблюдаемой Вселенной являются дисковые галактики. К нему же относится и наша родная система звезд, Млечный Путь. В этой статье мы поговорим о структуре, эволюции и ключевых исследованиях дисковых галактик, а также приведем несколько интересных фактов об этих удивительных звездных скоплениях.

Структура дисковых галактик

Основу структуры любой дисковой галактики составляет галактический диск, состоящий из звезд и их планетарных систем, а также межзвездных облаков газа и пыли. Свое название галактический диск получил из-за сплющенной формы. Если посмотреть на галактику в большом масштабе, она выглядит так, будто все составляющие ее компоненты вращаются в одной плоскости. В действительности диск имеет весьма солидную вертикальную «толщину». Например, у Млечного Пути она варьируется от 100 до 1 000 световых лет при общем диаметре галактики 100 000 световых лет.

В некоторых случаях в центре дисковой галактики может находиться так называемый балдж (прим. ред.: от английского «bulge» — «выпуклость»). Он представляет собой плотное скопление звезд, сосредоточенных вокруг ядра галактики. В зависимости от формы выделяют следующие типы галактических балджей.

• Классические. В них звезды движутся по нестабильным орбитам, зачастую лежащим в разных плоскостях. Из-за этого классические балджи принимают шарообразную форму и становятся очень похожими по структуре на эллиптические галактики (прим. ред.: эллиптические галактики —особый тип галактик сферической формы, в которых почти прекратилось звездообразование).
• Дискообразные. В этих ярких уплотнениях звезды движутся по орбитам в той же плоскости, что и в рукавах. Такие балджи могут иметь спиральную или кольцевую форму. Они отличаются повышенным содержанием газа, из которого формируются молодые звезды.
• Ящикообразные. В таких балджах звезды могут формироваться в прямоугольные, крестообразные или арахисовидные скопления. Возможно, они представляют собой утолщенные перемычки, о природе которых мы поговорим позднее. Подобный ящикообразный балдж находится в центре нашей родной галактики Млечный Путь.

Еще одним общим признаком дисковых галактик является «гало», то есть внешняя оболочка, находящаяся за пределами видимой части галактики. Гало представлено отдельными звездами, выброшенными в процессе эволюции или захваченными у соседних карликовых галактик, а также облаками разреженного газа. Но главной составной частью гало является темная материя. Это загадочная форма материи, которая не взаимодействует ни с видимым светом, ни с каким-либо еще видом электромагнитного излучения. Хотя мы и не знаем природу темной материи, она оказывает гравитационное воздействие — не дает звездам разлететься в разные стороны под действием центробежной силы.

А сейчас давайте рассмотрим известные типы дисковых галактик и выделим главные особенности их структуры.

• Спиральные галактики с перемычкой. Бо́льшая часть дисковых галактик, включая Млечный Путь, имеют бар (от английского «bar» — «планка»). Это вытянутая перемычка в центральной части, от концов которой расходятся спиральные рукава. Бары выполняют функцию гравитационных мостов. Перенаправляя газ от спиральных рукавов во внутреннюю область, они стимулируют звездообразование.
• Спиральные галактики без перемычки. По современным представлениям бары являются временным явлением в молодых спиральных галактиках. При накоплении достаточно высокой массы их структура разрушается. Звезды выходят на стабильные круговые орбиты, и спиральные рукава начинаются непосредственно из центра галактики.
• Промежуточные спиральные галактики. Галактики с разрушающимся баром относятся к достаточно редкому переходному типу. Их перемычка становится тусклой, принимая неправильную форму или распадаясь на отдельные фрагменты. Звездообразование в промежуточных спиральных галактиках замедляется и смещается от центра к внешним областям.
• Линзовидные галактики. Так называют еще один промежуточный тип, который обладает признаками как дисковых, так и эллиптических галактик. Они состоят из галактического диска, однако он не разделяется на спиральные рукава. Иногда линзовидные галактики могут иметь балджи или перемычки.

Формирование галактик: начальные стадии и рост

Согласно наиболее распространенной космологической модели формирование галактик стало возможным спустя несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва. В то время Вселенная достаточно расширилась и вещество, до этого пребывавшее в состоянии раскаленной плазмы, остыло. Это поспособствовало началу образования гало из темной материи и элементарных частиц, которые стали основой ядер атомов первых химических элементов, в частности, водорода и гелия. Со временем они начали формировать молекулярные и более масштабные структуры, в результате чего ранняя Вселенная оказалась заполнена разреженным газом.

Собственная гравитация вещества и воздействие темной материи привели к тому, что газы начали сжиматься в сгустки. Постепенно наращивая вращательное движение, материя нагревалась и принимала форму диска. Когда газ остывал, он переставал поддерживать однородную структуру и распадался на отдельные облака, из которых впоследствии формировались звезды галактик. Рождение новых галактик было особенно массовым явлением в первые 3 млрд лет после Большого взрыва, однако этот процесс продолжается и сегодня.

У науки нет точного ответа, как именно в центре дисковых галактик возникают черные дыры. По одной из версий, гравитационный коллапс может возникать в плотных скоплениях газа в центральной области. Если этот сценарий верен, черные дыры должны находиться в центрах всех дисковых галактик, однако у астрофизиков есть сомнения в истинности этого факта. Согласно другой версии, черные дыры образуются из коллапсирующих гигантских звезд, после чего активно поглощают материю и переходят в разряд сверхмассивных.

Эволюция дисковых галактик

Несмотря на то что дисковые галактики выглядят как упорядоченные космические механизмы, зачастую они меняют свою структуру. Давайте разберемся, какие внутренние процессы приводят к изменению внешнего вида дисковых галактик. На ранних этапах эволюции в результате бурного звездообразования галактический диск снова нагревается, и из горячего газа не могут формироваться новые звезды. Таким образом, звездный диск приобретает гравитационную нестабильность, из-за которой первичные звезды скапливаются в центре и образуют бары. Бары, в свою очередь, запускают механизмы саморегуляции галактик, обеспечивая циркуляцию вещества для образования будущих звезд.

Еще одним следствием гравитационной нестабильности является появление спиральных рукавов. Этот процесс хорошо объясняет теория волн плотности. Циклическое звездообразование приводит к формированию областей с повышенной и пониженной плотностью. Хорошим примером для понимания волн плотности служит обычная автомобильная пробка, где дистанция между автомобилями, а соответственно и плотность потока, попеременно увеличивается и уменьшается. Так же и материя, проходящая через волны плотности, сначала замедляется, а затем ускоряется, что приводит к ее закручиванию и образованию спиральных рукавов.

Взаимодействие с соседними галактиками: столкновение и слияние

Еще одним фундаментальным фактором эволюции дисковых галактик является их гравитационное взаимодействие с другими галактиками. Если совокупная масса двух или более галактик достаточно велика, а расстояние между ними, напротив, не столь значительно, галактики начинают сближаться. Этот процесс продолжается до тех пор, пока плоскости дисков не пересекают друг друга, что принято называть столкновением галактик. Интересно, что столкновение самих звезд — это очень маловероятное событие из-за огромного расстояния между ними. Если выбрать масштаб, при котором наше Солнце будет выглядеть как яблоко диаметром 10 сантиметров, то расстояние до ближайшей звезды Проксимы Центавра составит почти 3 000 километров.

Дальнейший исход событий после столкновения галактик зависит прежде всего от скорости их движения. Если она достаточно высока, произойдут ощутимые изменения структуры: галактики частично обменяются материей, но продолжат независимое друг от друга движение в космическом пространстве и со временем стабилизируют свою форму. Однако при умеренной скорости относительно друг друга начнется один из самых завораживающих процессов во Вселенной — слияние галактик.

Когда сливаются две дисковые галактики, между ними возникают колоссальные приливные силы, из-за которых образуются гигантские мосты и хвосты. Диски стремительно теряют свою форму, а звезды выходят на хаотичные орбиты. Некоторые из них разгоняются так сильно, что покидают гравитационное поле и выбрасываются за пределы галактики. Если бы на планете такой звезды зародилась цивилизация, ее представители по ночам видели бы лишь пустое черное небо.

Хотя сами звезды не сталкиваются при слиянии галактик, это не касается масштабных облаков межзвездного газа. Они перемешиваются друг с другом, что приводит к взрывному звездообразованию — каждый год во время слияния может формироваться порядка 100 протозвезд солнечной массы. В совокупности процесс слияния галактик может длиться порядка 10 млрд лет. Если одна из галактик значительно крупнее другой, происходит процесс поглощения, при котором дисковая структура может сохраниться. Если же их размеры сопоставимы, зарождается новая эллиптическая галактика с однородной структурой.

Старение галактики и изменение со временем ее структуры

Как мы могли увидеть, галактики эволюционируют по-разному, но в результате перед ними возникает одна и та же проблема. Холодный газ со временем истощается, что приводит к замедлению, а затем и прекращению звездообразования. В большей степени это характерно для дисковых галактик, которые эволюционировали в эллиптические после слияния. Но процессы старения происходят и в обычных дисковых галактиках. Такие факторы, как взрывы сверхновых звезд, излучение нейтронных звезд и активность сверхмассивных черных дыр способствуют сокращению межзвездного газа.

Стареющие галактики принимают приблизительно одинаковый вид с ярким центром и тусклыми краями. Процесс затухания по вселенским меркам происходит достаточно быстро — около 1 млрд лет. В результате от яркой дисковой галактики остается лишь ядро, окруженное белыми карликами, нейтронными звездами и разреженными облаками пыли и газа, из которого уже не формируются звезды.

Место дисковых галактик во Вселенной

По разным данным, от 65 до 80% галактик во Вселенной относятся к дисковому типу. Отметим, что эта статистика не учитывает карликовые галактики, которые зачастую принимают неправильную форму и содержат не более нескольких миллиардов звезд. Считается, что дисковая галактика — это естественный эволюционный этап любой достаточно крупной системы звезд. Молодые спиральные галактики со временем теряют перемычки, преобразуются сначала в линзовидные, а затем в эллиптические галактики, после чего постепенно затухают.

Примеры известных дисковых галактик: Млечный Путь, Андромеда

Млечный Путь — это спиральная галактика с перемычкой, в периферийной области которой, в рукаве Ориона, находится наша Солнечная система. Ученым достаточно сложно изучать нашу родную галактику из-за невозможности взглянуть на нее со стороны. К тому же большая ее часть попросту недоступна для наблюдений из-за балджа и плотных пылевых облаков, сосредоточенных вокруг сверхмассивной черной дыры Стрелец А. Поэтому отметим, что все данные о структуре, звездном составе и размере Млечного Пути являются приблизительными и основанными на компьютерных моделях и косвенных признаках.

По разным данным, в Млечном Пути находится от 100 до 400 млрд звезд, совокупная масса которых примерно в 1,5 * 10¹² превышает солнечную. Диаметр галактического диска оценивается в пределах 80 000 – 100 000 световых лет. С перемычкой соединены два главных рукава Центавра и Персея, а также вторичные рукава Наугольника и Стрельца, которые выражены менее контрастно. Рукав Ориона, в котором находится Солнце, является дополнительным образованием, напрямую не связанным с центральной областью галактики.

Галактика Андромеды относится к тому же типу, что и Млечный Путь. Это наш ближайший «галактический сосед», удаленный на 2,5 млн световых лет. Угол наклона галактического диска Андромеды по отношению к земным наблюдателям составляет 77°, что позволяет весьма подробно изучать ее структуру и другие характеристики. При схожей массе диаметр Андромеды в 1,5 – 2 раза больше, чем у Млечного Пути, и в галактике может содержаться порядка 1 трлн, или 10¹² звезд.

Андромеда сближается с Млечным Путем со скоростью около 100 км/с, и в отдаленном будущем, через 4 – 5 млрд лет, начнется активная фаза слияния галактик. К тому моменту Земля уже будет поглощена Солнцем, перешедшим в стадию красного гиганта, поэтому наблюдать за этим красочным событием можно будет только с какой-то другой планеты. По данным компьютерных моделей, само Солнце выйдет на орбиту, которая будет 3 раза больше отдалена от центра галактики, чем нынешняя. После хаотичного «танца», который будет продолжаться несколько миллиардов лет, две сверхмассивные черные дыры сольются в одну. В результате образуется новая эллиптическая галактика, для которой уже сегодня предложено название Млекомеда.

Наблюдения и исследования

С древнейших времен люди выдвигали самые разные догадки о природе происхождения яркой белой полосы в ночном небе. С современной позиции мы знаем, что наиболее состоятельной была гипотеза древнегреческого философа Демокрита. Еще в V веке до нашей эры он предположил, что Млечный Путь — это скопление звезд, которые расположены настолько далеко, что визуально сливаются в единую структуру. На доказательство этого утверждения ушло почти 2 000 лет — в 1610 году итальянский астроном Галилео Галилей с помощью телескопа смог рассмотреть отдельные звезды.

В 1734 году шведский математик Эммануил Сведенборг, не имея каких-либо объективных научных данных, предложил вполне современную космологическую концепцию. В своей книге «О началах вещей» он писал о том, что за пределами нашей галактики находится множество других, они образуют многочисленные галактические скопления и простираются далеко за пределы видимой Вселенной. В 1845 году британский астроном Уильям Парсонс впервые обнаружил спиральную структуру галактики, впоследствии получившей название Водоворот.

Из-за расплывчатого внешнего вида обнаруженные галактики называли туманностями. Во второй половине XIX века преобладало мнение, согласно которому вся Вселенная представлена Млечным Путем, а туманности являются всего лишь газовыми облаками, расположенными в пределах галактики. С наступлением XX века ситуация начала меняться, и все больше астрономов делали выводы о том, что туманности представляют собой другие галактики.

Многочисленные споры разрешил американский астроном Эдвин Хаббл. В 1924 году посредством наблюдений в самый большой на то время телескоп Хукера он доказал, что туманности Андромеды и Треугольника находятся слишком далеко, чтобы быть частью Млечного Пути, и являются отдельными галактиками. Разработанная Хабблом классификация галактик перевернула представления человечества о Вселенной, и астрономы пользуются ею даже спустя сто лет после открытия.

Результаты наблюдений: новые открытия и загадки

В наши дни основными инструментами наблюдения за галактиками являются космические телескопы. Они находятся за пределами земной атмосферы, а потому невосприимчивы к искажениям, вызванным дымкой, световым загрязнением и преломлением света. В 1990 году на низкую околоземную орбиту был выведен телескоп «Хаббл», миссия которого продолжается уже более 30 лет. Изучая далекие галактики с помощью «Хаббла», ученые смогли уточнить возраст и скорость расширения Вселенной. Кроме того, полученные данные подтвердили ускоренное расширение Вселенной. Непонимание причин этого ускорения привело к введению в обиход нового термина — «темная энергия».

Перспективы и будущее исследований

В 2021 году на орбиту был запущен космический телескоп нового поколения «Джеймс Уэбб». Он оснащен зеркалом диаметром 6,5 метра, что в 2,7 раза превышает аналогичный показатель у «Хаббла». Кроме того, он воспринимает электромагнитное излучение в длинноволновом инфракрасном спектре, что позволяет получать значительно более детализированные и четкие изображения.

За непродолжительное время полноценной работы «Джеймс Уэбб» смог обнаружить древние галактики, образованные спустя 230 – 280 млн лет после Большого взрыва, что поставило под сомнение современные космологические модели. Благодаря этому открытию многие ученые вернулись к обсуждению гипотезы первичных черных дыр, которые могли формироваться из субатомных частиц на самых ранних этапах эволюции Вселенной. В будущем с помощью «Джеймса Уэбба» ученые смогут выяснить, как именно формируются и эволюционируют галактики, а также помочь обнаружить обитаемые планеты в Млечном Пути.

Интересные факты о дисковых галактиках

• Чтобы сделать один полный оборот вокруг центра Млечного Пути, у Солнца уходит около 250 млн лет, или один галактический год. Таким образом, сейчас наша звезда «отмечает совершеннолетие», ведь ей исполнилось 18 галактических лет. А всего 1 галактический год назад на Земле доминировали динозавры.
• Некоторые дисковые галактики можно наблюдать с Земли невооруженным глазом. В безлунные и безоблачные ночи в регионах с небольшим световым загрязнением различимо свечение галактик Андромеды и Треугольника в одноименных созвездиях. При особенно благоприятных условиях в созвездии Большой Медведицы можно также увидеть галактику Боде.
• Одну из самых необычных форм имеет спиральная галактика ESO 137-001, расположенная в созвездии Южный Треугольник. Из-за колоссальной скорости движения, порядка 2 000 км/с, она активно теряет горячий газ, из которого формируется хорошо различимый хвост протяженностью 260 000 световых лет. Из-за этой характерной особенности галактика имеет неофициальное название «Медуза».

Иван Стефанов

Изображение на обложке: ESA/Hubble & NASA, D. Thilker