Происхождение неправильных галактик

 

Рассмотрим гравитационно связанную, изолированную систему, состоящую из огромного числа звёзд. Предположим, что в начальный момент времени эта система имеет неправильную форму, например, такую, как на рисунке 23. Что произойдёт с этой системой через длительный промежуток времени?

 

 

 

 

Рис. 23

 

Каждая звезда будет двигаться вокруг центра масс системы по достаточно сложной и не замкнутой траектории, наиболее сильно взаимодействуя с ближайшими звёздами, и в результате все орбиты звёзд постепенно «сгладятся». Все первоначальные большие объёмы более плотного скопления звёзд перемешаются с пустотами. В конце концов, вся система в целом приобретёт осевую симметрию, и всё более и более будет похожа на шар или на эллипсоид вращения. То есть после того, как каждая звезда сделает множество оборотов вокруг общего центра масс, вся система в целом превратится в эллиптическую галактику. Вот, к примеру, что пишет об эллиптической галактике П. Ходж [170,с.22]:

 

Чтобы построить такой объект из звёзд, надо лишь взять много похожих звёзд, расположить их рядом друг с другом в пространстве, позволить тяготению поработать с ними и долго-долго подождать, пока движения всех звёзд не станут похожими. Не следует придавать звёздам систематических движений вроде общего вращения, но надо удостовериться в том, что звёзды выбраны тихие и благонравные, которые не будут извергаться, выбрасывать вещество или иным способом нарушать скучную монотонность неизменного звёздного царства. Но нет необходимости с самого начала распределять их в идеальном шаровом объёме. Можно, например, «сделать» из них ящик прямоугольной формы и просто подождать некоторое время. Звёзды сами в конце концов расположатся в виде сфероида. Тяготение действует сферически симметричным образом и, если ваша галактика управляется только гравитацией, то она выровняется, потеряет острые углы и станет симпатичной эллиптической галактикой.

 

Скорость V обращения звезды, находящейся на окраине галактики, вокруг галактического центра, приблизительно равна:

Здесь М – масса галактики, R – её радиус.

Соответственно, время Т обращения звезды вокруг галактического центра (галактический год) приблизительно равно:

(5.20)

Учитывая, что в среднем M ~ R ³, из приближённого уравнения (5.20) можно сделать вывод, что время обращения галактики вокруг своей оси примерно одинаково по порядку величины для различных галактик. Например, галактический год для нашей Галактики приблизительно равен 250 миллионам лет (время обращения Солнечной системы вокруг галактического центра). Следовательно, за время своего существования (около 15 млрд. лет) наша Галактика совершила несколько десятков оборотов вокруг своего центра.

И здесь возникает следующая проблема в рамках теории горячей Вселенной. Согласно этой теории все галактики образовались приблизительно в одно время и уже успели совершить несколько десятков оборотов вокруг своих центров. А, совершив множество таких оборотов, они должны были превратиться либо в эллиптические, либо в спиральные галактики, то есть в звёздные системы, обладающие осевой симметрией.

Почему же в таком случае до сих пор ещё существуют неправильные галактики?

На этот вопрос нет удовлетворительного ответа в рамках общепринятого сценария.

Согласно теории взрывающейся Вселенной неправильная форма у галактики – это всего лишь временный этап в её эволюции. И здесь возможно несколько сценариев.

Сценарий 1. Из ядра крупной галактики выбрасывается огромная масса сверхплотного вещества, которая затем, взорвавшись, распадается на звёзды и газ, образуя таким образом небольшую галактику. Некоторое время (около 1 миллиарда лет) распределение звёзд и газа внутри галактики остаётся несимметричным, и галактика относится к классу Ir 2 (у этого класса неправильных галактик и масса, и светимость распределены внутри галактики неправильным образом). Затем, совершив несколько оборотов вокруг своего центра, галактика приобретает осевую симметрию и может стать небольшой эллиптической галактикой.

Сценарий 2. В ядре небольшой галактики происходит гигантский взрыв. А выброшенное из ядра сверхплотное вещество, взорвавшись, распадается на звёзды и газ. При этом в течение некоторого времени и светимость, и масса внутри галактики распределены несимметричным образом, а галактика является неправильной и также относится к классу Ir 2.

Сценарий 3. В ядре небольшой галактики происходит менее мощный взрыв (в процентном отношении к полной массе галактики), чем в предыдущем сценарии. И масса выброшенного из ядра вещества в несколько раз меньше массы уже существующих в галактике звёзд. В этом случае распределение массы внутри галактики будет достаточно симметричным. Но светимость внутри галактики будет распределена неравномерно, потому что значительная доля светимости будет приходиться на молодые и яркие, только что образовавшиеся звёзды. В этом случае в течение некоторого времени галактика будет неправильной, относясь к классу Ir 1 (у галактики такого класса неправильным образом распределена только её светимость).

Таким образом, согласно приведённым сценариям образования неправильных галактик, неправильная галактика является либо молодой, только что образовавшейся галактикой, либо галактикой, в ядре которой недавно (менее 1 миллиарда лет назад) произошёл мощный взрыв.

Существует целый ряд особенностей и свойств неправильных галактик, подтверждающих прямо или косвенно взрывную гипотезу их происхождения.

Одной из важных особенностей неправильных галактик является их немногочисленность. Как отмечалось в параграфе 1.7, только около 5% от общего числа галактик приходится на долю неправильных.

Почему неправильных галактик так мало?

Неправильных галактик мало потому, что неправильная форма галактики – это всего лишь временный этап в её эволюции, длящийся менее 1 миллиарда лет. И процентное число неправильных галактик можно очень грубо оценить, поделив 1 миллиард лет на полный возраст Вселенной, который составляет около 15 миллиардов лет. То есть доля неправильных галактик должна составлять примерно 6,6%, что очень близко к их наблюдаемому числу.

А существуют ли астрономические наблюдения, подтверждающие, что неправильная форма галактики является временным этапом в её эволюции и что со временем неправильная галактика может превратиться, например, в эллиптическую? Да, существуют. Вот, что пишет об этом П. Ходж [170,с.31]:

 

Согласно традиционным представлениям, звёзды в эллиптических галактиках очень старые (их возраст 10 и более миллиардов лет), в то время как неправильные галактики содержат как старые, так и молодые звёзды. Однако существуют некоторые свидетельства в пользу того, что в некоторых карликовых эллиптических галактиках – например, в карликовой галактике в созвездии Киля – ещё 2–3 миллиарда лет назад происходил активный процесс звездообразования, и во время этих эпизодов они могли выглядеть, как карликовые неправильные галактики.

 

Другой очень важной чертой неправильных галактик являются их небольшие размеры [170,с.30]:

 

Важным намёком на то, как образуются неправильные галактики, являются результаты сравнения их светимостей со светимостями спиральных галактик. Почти все они значительно слабее даже наименее ярких спиральных галактик. Спиральная галактика М 33, представляющая примерно нижнюю границу диапазона светимостей спиральных галактик, всё ещё ярче Большого Магелланова Облака – одной из ярчайших неправильных галактик.

 

Почему не существует гигантских неправильных галактик?

С течением времени масса сверхплотного вещества, находящегося в галактических ядрах, уменьшается. А возникновение неправильных галактик так или иначе связано с недавней активностью галактических ядер. Либо вещество неправильной галактики выбрасывается из ядра более крупной галактики (сценарий 1), либо в ядре галактики происходит очень мощный взрыв (сценарий 2 или 3). В любом случае, взрывы, происходящие в галактических ядрах в настоящее время и в недалёком прошлом, значительно уступают по мощности взрывам, происходившим в ранней Вселенной, когда формировались самые крупные из существующих галактик. Именно поэтому современные неправильные галактики значительно уступают по массе и светимости гигантским галактикам, возраст которых сравним с возрастом Вселенной.

Итак, неправильная форма неправильной галактики есть свидетельство произошедшего не так давно в ней мощного взрыва, вызванного распадом сверхплотного вещества. Как следствие, в неправильных галактиках должна наблюдаться повышенная концентрация газа и молодых ярких звёзд. И это действительно так [170, с. 30]:

 

Все эти галактики богаты газом и почти все содержат много молодых звёзд и облаков светящегося ионизированного газа, часто исключительно больших и ярких.

 

Кроме того, неправильные галактики обладают максимальной удельной светимостью. Если поделить их светимость на их массу, то по этому показателю они значительно превзойдут и спиральные и, тем более, эллиптические галактики [55].

Согласно общепринятому сценарию образования галактик, галактики образуются в результате гравитационного сжатия разреженных газовых масс. И с этой точки зрения неправильные галактики должны быть распределены в пространстве примерно так же, как и остальные галактики.

Согласно взрывной гипотезе значительная часть неправильных галактик – это только что образовавшиеся молодые галактики. А это в свою очередь означает, что сверхплотное вещество, из которого они возникли, было не так давно выброшено из ядер более крупных галактик. То есть поблизости от большинства неправильных галактик должны находиться породившие их более крупные «материнские» галактики. И, кроме того, от неправильной галактики должен тянуться «хвост» из газа и звёзд к ядру материнской галактики.

Существуют ли в действительности такие гигантские газовые хвосты, связывающие неправильные галактики с ядрами материнских галактик? Как оказалось да! Причём о происхождении этих хвостов до сих пор идут споры, так как их существование очень трудно объяснить в рамках общепринятого сценария образования галактик. Мы вернёмся к этой теме в параграфе 6.4.

 

 

 

ГЛАВА 6