Проблема происхождения Млечного Пути

 

Согласно общепринятому сценарию образования галактик Млечный Путь образовался в результате сжатия газового облака, состоящего, в основном, из водорода (»75%) и гелия (»25%). Рассмотрим в общих чертах этот процесс.

При сжатии облака его потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая энергия движущихся молекул (или атомов, в зависимости от температуры) газа возрастает. Каждая молекула газа движется как самостоятельное тело по некоторой траектории вокруг центра масс облака. При этом она сталкивается с другими молекулами и теряет часть кинетической энергии. В результате таких столкновений всё облако нагревается. Затем облако излучает в окружающее межгалактическое пространство тепло, остывает, и процесс сжатия продолжается. То есть сжатие облака происходит по следующей простой схеме (рис. 13).

 

	Гравитационная потенциальная энергия				Тепловая энергия		Излучение

 

Рис. 13. Последовательность превращений энергии, необходимая для того, чтобы облако газа продолжало сжиматься.

 

Таким образом, для сжатия облака необходимо, чтобы кинетическая энергия молекул в результате столкновений переходила в тепловую. Как только этот процесс прекратится, дальнейшее сжатие облака также прекратится.

Наиболее важным моментом в формировании галактики является момент образования звёзд. Каждая звезда галактики под действием гравитационных сил движется по некоторой траектории вокруг галактического центра (при этом звезда может входить в состав звёздного скопления и также совершать движение внутри скопления). Но концентрация звёзд в галактике на много порядков ниже, чем концентрация молекул в облаке газа. Поэтому звёзды сталкиваются крайне редко. В результате галактика, состоящая из звёзд, уже не будет сжиматься под действием гравитации, в отличие от облака газа. Поэтому, как только образуются звёзды, дальнейшее сжатие облака прекращается.

В связи с этим возможны два варианта сжатия газового облака.

Вариант первый. Если звёздообразование в сжимающемся облаке не происходит, то облако газа сжимается до предела, образуя относительно тонкий, вращающийся диск газа. И дальнейшему сжатию в центр препятствует вращение этого диска.

Вариант второй. На какой-то стадии сжатия в сжимающемся облаке начинается процесс звездообразования, после чего сжатие прекращается.

Например, если процесс звездообразования начинается практически сразу, то образуется галактика в форме шара, то есть эллиптическая галактика класса ЕО (рис. 6,*). Если процесс звездообразования по какой-то причине задерживается, то может образоваться эллиптическая галактика класса от Е1 до Е7. И, наконец, если процесс звездообразования не начинается очень долго, то образуется спиральная галактика.

Такой сценарий образования галактик, на первый взгляд, выглядит вполне правдоподобным. Однако при попытке применить его к образованию какой-то конкретной галактики мы столкнёмся с серьёзными затруднениями.

Давайте рассмотрим эти проблемы на примере нашей Галактики.

Первое затруднение. Наша Галактика является спиральной и, следовательно, процесс звездообразования в ней должен был начаться сравнительно поздно. Но это не так. Возраст наиболее старых звёзд гало практически совпадает с возрастом Вселенной. То есть звездообразование в нашей Галактике началось почти сразу же с момента её возникновения. Почему же после того, как образовалась эллиптическая составляющая нашей Галактики (гáло), наша Галактика не сделалась эллиптической галактикой, а превратилась в спиральную?

Звёзды гало – это звёзды первого поколения, а звёзды галактического диска – второго. Поэтому можно предположить, что наиболее массивные звёзды гало полностью прошли эволюционный путь и, взорвавшись, выбросили в окружающее пространство огромное количество газа, обогащённого тяжёлыми элементами. Этот газ под действием гравитационных сил сжался в галактический диск, где из него образовались звёзды второго поколения, более богатые тяжёлыми элементами. Но здесь сразу же возникает второе затруднение.

Второе затруднение. Звёзды гало, в том числе и входящие в шаровые скопления, движутся вокруг галактического центра по сильно вытянутым эллиптическим орбитам, а звёзды диска – по круговым. Поэтому при равных массах и равных расстояниях от центра звезда гало имеет момент импульса в несколько раз меньший, чем звезда диска. Кроме того, в последние десятилетия установлено, что многие наиболее древние звёзды и звёздные скопления в гало движутся в обратном направлении, то есть в направлении, противоположном вращению галактического ядра (см., например, [25]). Всё это приводит к тому, что полный момент импульса звёзд гало очень мал. И если бы звёзды диска образовались из звёзд гало, то их момент импульса был бы также мал. Однако галактический диск очень быстро вращается и имеет большой момент импульса.

Проблема происхождения Млечного Пути (как, впрочем, и любой другой спиральной галактики) встала со всей остротой сразу же после того, как было выяснено в общих чертах его строение. Наиболее ясно эта проблема изложена в книге американского астрофизика Фреда Хойла «Галактики, ядра и квазары». Приведём выдержку из неё [171,с.22,23]:

 

В нашей собственной Галактике мы сталкиваемся с аналогичной проблемой при попытке объяснить происхождение её сферической, или, точнее, эллиптической составляющей (гало). Гало состоит из системы шаровых скоплений, быстрых звёзд и галактического ядра. Бааде различает две составляющие (диск и гало) и называет их I и II типами населения Галактики. Звёзды, относящиеся к II типу, составляют сплюснутую эллиптическую систему, с отношением осей приблизительно 1:2. она содержит, вероятно, 1/10 полной массы Галактики. Как возникло это гало? Согласно обычным представлениям, звёзды гало сконденсировались первыми, т. е. они образовались до того, как сжимающееся газовое облако приобрело форму диска. Но можно спросить, почему же тогда остальная часть облака также не обратилась в звёзды и почему наша Галактика не сделалась эллиптической, примерно типа Е4, а стала спиральной? На этот вопрос убедительного ответа нет, и нелегко представить себе, каким он мог бы быть. Наиболее трудным должно было быть образование первых звёзд, хотя бы уже из-за отсутствия пыли. Как только первые звёзды сконденсировались, процесс дальнейшего звездообразования должен стать легче. Другое предположение состоит в том, что в образовании Галактики приняли участие два облака: сначала облако, которое смогло разделиться на звёзды на ранних этапах, до превращения в диск, а затем облако, которое распалось на звёзды только в стадии диска. Опять-таки трудно себе представить, как бы это могло произойти, так как при этом порядок звездообразования, по-видимому, получается обратным действительному. Вероятно, идею о двух облаках можно было бы использовать, если считать, что облако, из которого образовалось гало, было вторым, однако это противоречит распространенному убеждению, что звёзды гало старше звёзд диска.

Я подозреваю, что ключ к решению этой проблемы состоит в том, что угловая скорость вращения гало, по-видимому, много меньше, чем диска. Правда, это противоречит представлению о том, что обе составляющие произошли из одного и того же облака. Возможно, хотя это удивительно, что гало вообще не вращается. Под этим я подразумеваю, что система гало как целое имеет суммарный момент количества движения, равный нулю. Сколько звёзд гало обращается в одну сторону, столько же и в противоположную. Если это удастся подтвердить, то вряд ли гало когда-либо могло прийти извне.

 

Худшие опасения Хойла подтвердились. Удельный момент импульса (момент на единицу массы) гало намного меньше удельного момента импульса диска. И это означает, что звёзды гало и звёзды диска не могли образоваться из одного газового облака. Кроме того, значительная часть звёзд гало вращается в обратную сторону, то есть полный момент импульса гало не очень сильно отличается от нуля. А это означает, что облако газа, из которого образовались звёзды гало, не могло прийти в нашу Галактику извне. Потому что если бы это облако было захвачено Галактикой, то его момент импульса (относительно галактического центра) был бы существенно отличен от нуля. Кроме того, в этом случае звёзды гало образовались бы позже звёзд диска, что также не соответствует действительности.

Таким образом, Млечный Путь, несмотря на своё достаточно простое строение, представляет собой настоящую головоломку для космологов, и до сих пор на неё нет вразумительного ответа. Об этом свидетельствует большое количество разнообразных гипотез о происхождении Млечного Пути. О некоторых из них вкратце рассказано в статье «Происхождение Млечного Пути», напечатанной в журнале «В мире науки» за 1993 год [25]. Все эти гипотезы не свободны от тех или иных противоречий и не способны объяснить достаточно простое устройство Млечного Пути.

Основными параметрами, характеризующими любую галактику, являются её масса и момент количества движения. Поэтому, если исходить из общепринятого сценария образования галактик, то основными силами, определяющими форму галактики, должны быть гравитационные силы и силы, связанные с вращением. В своей книге «Галактики, ядра и квазары» Фрэд Хойл анализирует эту проблему и приходит к выводу, что этих сил недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемое разнообразие галактик [171,с.18]:

 

Другая традиционная точка зрения заключается в том, что мощным фактором, определяющим тип галактики, является её вращение, или, точнее, момент количества движения. Так, последовательность эллиптических галактик от Е0 до Е7 рассматривается как последовательность с возрастающим моментом количества движения; для спиралей он считается ещё более важным управляющим фактором. Я усматриваю в этой идее следующую трудность. Если тяготение и вращение являются основными факторами, определяющими тип галактики, то, мне думается, все галактики должны были бы иметь в точности одинаковое строение. Они могли бы различаться по массам, светимости или размерам, но формы их всегда оказывались бы одинаковыми.

 

И далее [171,с.18]:

 

Можно с уверенностью заключить, что в этой задаче должны быть учтены другие соображения.

 

Я полностью согласен с Ф. Хойлом в том, что, учитывая только гравитационные силы и силы, связанные с вращением, невозможно объяснить происхождение галактик. Следовательно, в формировании галактик очень важную роль должна играть некая третья сила. Что это за сила? Согласно теории взрывающейся Вселенной эта сила связана с взрывными процессами, происходящими в галактическом ядре. И с новой точки зрения решающую роль в образовании галактики играет её ядро, из которого она возникла.