Крупномасштабная структура и звездные вихри галактик

Общая астрономия. Крупномасштабная структура и звездные вихри галактик

Процессы, приведшие к возникновению скоплений галактик, развивались на фоне еще более грандиозной гидродинамики, на фоне движений гораздо большего масштаба, которые формировали сверхскопления, а возможно и наиболее крупные образования во Вселенной — клетчатые, или ячеистые структуры. Сверхскопления представляют собой группы из трех — пяти скоплений различных масс и размеров, изучаемые астрономами в последние 25— 30 лет. О ячейках же стало известно лишь в последние три — четыре года. Трудами российских и американских астрономов было обнаружено, что группы, скопления и сверхскопления галактик расположены преимущественно в сравнительно тонких слоях или даже цепочках. Такова, например, цепочка скоплений галактик в направлении созвездия Персея. Эти слои и цепочки соединяются друг с другом, пересекаются и т. д., образуя ячейки неправильной формы, и всё в целом представляется какой-то квазиупорядоченной структурой, напоминающей пчелиные соты или, быть может, кружева. Размеры ячеек достигают ста мегапарсеков. Их стенки — это сверхскопления весьма уплощенной формы (отношение характерных размеров приблизительно 1:5), внутри же ячеек ни отдельных галактик, ни их групп практически не обнаруживается. Нужно, правда, сказать, что эти исследования находятся в самой начальной своей фазе; надежно изучено всего три или четыре примера ячеек, т. е. пустот, ограниченных цепочками скоплений. Среди астрономов нет еще полного единодушия в оценке основных параметров этих систем, иногда высказываются и сомнения в самом факте существования ячеистой структуры. Действительно, пока что в распоряжении астрономов имеется не слишком много фактического наблюдательного материала, иногда сверхскопления приходится выявлять, так сказать, на глазок, рассматривая видимое распределение галактик на небесной сфере. На крупномасштабной карте мира галактики выглядят лишь точками и эти точки, в общем, довольно беспорядочно рассеяны. Сверхскопления проявляются на такой карте в виде нитей или волокон. Но давно известно, что человеческому глазу свойственно намечать линейные последовательности даже в полностью хаотическом распределении точек па плоскости.

Чтобы убедиться, что цепочки, ячейки и т. п.— не иллюзия, не обман зрения, потребуется, очевидно, еще очень длительная, кропотливая и топкая работа по отбору действительных структур, их отделению от кажущихся и мнимых. Детальную эволюционную теорию, способную объяснить феномен ячеистой структуры, считая, что он действительно существует, предложили Я. Б. Зельдович и его сотрудники А. Г. Дорошкевич, С. Ф. Шандарин и А. А. Клыпин. Развивая теорию «блинов», ее применяют теперь и к изолированным скоплениям и к целым сверхскоплениям, составляющим «стенки» ячеистой структуры. Процесс сферизации в сверхскоплениях происходит, вероятно, медленнее, чем в скоплениях, и потому они сохраняют исходную форму, Теория делает понятным, таким образом, почему сверхскопления имеют столь значительное уплощение. Более того, было выяснено, что «блины» формируются не изолированно друг от друга, а всегда во взаимодействии друг с другом, причем они как бы делят между собой все имеющееся вещество. Возникают огромные пустоты, ограниченные стенками — «блинами», которые в совокупности складываются постепенно в нечто, действительно напоминающее ячеистую структуру. Теоретическая модель, служащая основанием этой картины, математически сложна и строится с помощью численного эксперимента на крупной вычислительной машине.

В эксперименте отдельные элементы непрерывной среды представляются «тяжелыми точками», которые имеют соответствующую массу и взаимодействуют между собой благодаря взаимному тяготению. Вычислительная машина проделывает расчет движения всей совокупности этих частиц, на основе которого можно судить об эволюции среды от начального состояния слабых возмущений к состоянию сильных возмущений. Ячеистая структура возникает и в совсем новом варианте теории «блинов», учитывающем возможность ненулевой массы покоя нейтрино. Считается, что сначала формируются сгущения самого большого масштаба, соответствующего сверхскоплениям; захваченный этими сгущениями — уже нейтринными «блинами» — газ испытывает сжатие и нагрев, а потом наступает фрагментация наиболее плотных его слоев на протоскопления и протогалактики. При этом основная масса скоплений связана с нейтрино, а все галактики в них раз в десять легче в соответствии с общим космологическим соотношением между нейтрино и другими частицами. На фотографиях, сделанных с помощью больших телескопов, спиральные галактики выглядят яркими вихрами звездных облаков. Такова, например, знаменитая Туманность Андромеды, ближайшая к нам гигантская спиральная галактика. Из светящегося сгущения в ее центре выходят широкие длинные дуги спиральных ветвей, усыпанные яркими звездами. Приблизительно так же должна выглядеть со стороны с больших расстояний и наша собственная Галактика. О ее спиральном узоре приходится судить лишь но косвенным данным: облака газа и пыли заслоняют от нас звезды галактического диска и только радиоизлучение нейтрального водорода, почти не поглощаемое ими, указывает нам на то, что межзвездный газ образует протяженные клочковатые и рыхлые рукава, простирающиеся с расстояний в 3 килопарсека (кпс) от центра Галактики до ее края, т. е. до расстояний в 15 кпс. Спиральный узор служит для астрономов безошибочным указанием на быстрое вращение галактики. Вернее, быстрым вращением обладают плоские подсистемы галактик, подобные диску нашей Галактики.

Сферическая подсистема — гало нашей Галактики и гало других галактик вращаются, по крайней мере, в несколько раз медленнее, чем их плоские подсистемы — диски. Вращение же дисков в некотором смысле максимально: связанная с ним центробежная сила такова, что она точно компенсируется силами притяжения галактики. При более быстром вращении звезды диска просто разлетелись бы, будучи оторваны от галактики центробежными силами. Вращение — очень распространенное свойство галактик. Фактически все они так или иначе вращаются, Но эллиптические галактики вращаются не быстрее, чем сферические подсистемы спиральных галактик. Сколько-нибудь существенное регулярное вращение не заметно и в неправильных галактиках. Только диски спиральных галактик обладают быстрым, предельно сильным вращением. Но зато спиральных галактик больше всего во Вселенной: и по числу, и по сосредоточенной в них массе они превосходят галактики других типов. Какова же природа вращения галактик? До недавнего времени имелись две гипотезы. Согласно гипотезе К. Вейцзеккера, выдвинутой в конце 40-х годов нашего века, вращение галактик имеет космологическое происхождение; оно обязано изначальным вращательным, вихревым движениям космической среды, порожденным в том же процессе, в каком родилась сама Вселенная, и возникло ее общее расширение.

В те же годы Ф. Хойл предложил гипотезу приливного происхождения вращения. По его идее, никакого вращения во Вселенной не существовало вплоть до эпохи обособления протогалактических облаков. И вот тогда приливное гравитационное взаимодействие этих облаков друг с другом и заставило их вращаться. Дальнейшее развитие космологии и физики галактик обнаружило слабости и недостатки обеих гипотез. Первая, как выяснилось к концу 60-х годов, приходить противоречие с картиной горячей Вселенной. Вторая же, хотя она сама по себе ничему и не противоречит, не подтверждается конкретными расчетами: оказалось, что приливное взаимодействие протогалактик слишком слабо, чтобы обеспечить быстрое вращение, наблюдаемое в спиральных галактиках. В 1970 г. А. Д. Чернин предложил новую гипотезу о природе вращения галактик, согласно которой вращение галактик обязано мощным вихревым движениям, возникавшим в разрывных сверхзвуковых движениях метагалактической среды. Вращение нашей Галактики было открыто в 1926 г., когда Б. Линдблад и Я. Оорт установили, что звезды в диске Галактики вращаются вокруг общего центра, расположенного в направлении созвездия Стрельца. Линейная скорость вращения в районе Солнца (вместе с которым и мы вращаемся вокруг центра Галактики) лежит в промежутке между 220 и 250 км/с — точнее определить ее пока не удалось. Вращение других спиральных галактик непосредственно измерено в нескольких десятках случаев; обычно скорости вращения составляют 100—300 км/с. Линейная скорость вращения непостоянна на разных расстояниях от центра данной галактики. До некоторого радиуса скорость возрастает пропорционально радиусу, и это означает, что соответствующая внутренняя область галактики вращается с постоянной угловой скоростью (как говорят, твердотельно) и с постоянным периодом. После достижения максимума линейная скорость спадает к краю галактики, и там, как оказывается, ее зависимость от радиуса соответствует кеплерову закону (III закону Кеплера): скорость убывает обратно пропорционально корню квадратному из расстояния до центра. Последнее означает, что вращение звезд на периферии происходит в гравитационном поле, создаваемом главным образом массой центральной области галактики, а вклад периферийных масс в это поле не очень существен. На краю галактики звезды вращаются, как планеты в поле тяготения Солнца. Под периодом вращения галактики принято понимать период ее твердотельного вращения, т. е. период вращения внутренней области. По данным Б. А. Воронцова-Вельяминова, периоды вращения всех наблюдавшихся спиральных галактик заключены в сравнительно узких пределах: от 30 миллионов до миллиарда лет.

Распределение галактик по периодам неравномерно: имеется довольно резкий максимум у значения 300 миллионов лет. Если принять это значение периода и взять в качестве типичного возраста спиральной галактики 10 миллиардов лет, то окажется, что за все время жизни спиральные галактики успели совершить всего лишь несколько десятков оборотов. Вращение галактик можно характеризовать не только скоростью и периодом, но и моментом количества движения. По величине его можно оценить как произведение массы тела на его размер и линейную скорость вращения. Момент количества движения — величина, сохраняющаяся для изолированного тела (подобно другой сохраняющейся величине — энергии). Для нашей Галактики его можно подсчитать, приняв скорость вращения ~300 км/с, размер ~ 3•10²²см, массу ~10⁴⁴ г; это дает приблизительно 10⁷⁴ г•см³/с. То обстоятельство, что скорость вращения галактики вблизи ее края подчиняется закону Кеплера, позволяет оценить массу галактики — или, точнее, массу ее внутренней области, которая и создает в основном силу притяжения. Вспомним простые школьные соотношения. При вращении с линейной скоростью v на расстоянии R центростремительное ускорение составляет v2/R. Ускорение же силы тяготения, создаваемой массой М, заключенной в пределах радиуса и, есть GM/R2. Из равенства обеих величин находим массу M=v2R/G. Если взять в качестве примера нашу Галактику и принять для скорости значение 200 км/с на расстоянии от центра 10 кпс =3•10²²см, соответствующем положению Солнца, то масса окажется приблизительно равной 10в44 г, т. е. около 10¹¹ масс Солнца,— величина, которая обычно и фигурирует в качестве массы Галактики. Вращение галактик, не обнаруживающих спиральной структуры,— эллиптических и неправильных, если его и удается зарегистрировать, всегда оказывается гораздо медленнее, чем у спиральных галактик. Но медленно вращающиеся галактики составляют все же меньшинство в мире галактик: их раза в три меньше, чем спиральных галактик.

Авторство, источник и публикация:
1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Публикация проекта 02.12.2006