Структура галактик
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.
В середине прошлого века состоятельный любитель астрономии лорд Росс построил собственный телескоп, который и в наше время мог бы считаться весьма крупным — диаметр его зеркального объектива составлял 180 см. Телескоп позволил обнаружить на небе большое количество неизвестных ранее туманных пятен, многие из которых, как мы теперь знаем, являются далекими галактиками.
Наблюдая одну из туманностей в созвездии Гончих Псов (М51, по каталогу Мессье), Росс неожиданно обнаружил, что она вовсе не бесформенна, а имеет интересную структуру: две нечеткие бледные полоски как бы исходят из центрального сгущения и закручиваются в одну сторону по спирали. Так впервые была открыта спиральная структура галактик. Галактики, обладающие такой структурой, получили название спиральных.
Заметим, что М51 и сейчас считается одной из интереснейших галактик. На небе она находится недалеко от ковша Большой Медведицы, и наблюдать ее наиболее яркую центральную часть можно даже в небольшой телескоп.
В начале XX в. научились получать фотографии галактик. Фотографическая эмульсия, как известно, обладает бесценным свойством накапливать действие падающего на нее света. То, что при визуальных наблюдениях выглядит бледным, едва заметным пятном, на фотографии может предстать ясным четким изображением галактики со сложной внутренней структурой.
Спиральные ветви обнаружились на фотографиях большинства наблюдаемых галактик. К числу спиральных принадлежит и туманность Андромеды, и наша Галактика. Спиральные галактики обычно обозначаются буквами Sa, Sb и Sc (рис. 2). Причем маленькие буквы а, b, с характеризуют степень развития спиральной структуры: Sa — спиральные ветви гладкие, туго обхватывающие большую яркую и бесструктурную область в центре галактики (ядро); Sc — спиральные ветви далеко отходят от небольшого по размерам ядра, неровные, клочковатые, подчас разбивающиеся на отдельные яркие сгустки; Sb — ветви с промежуточными характеристиками (см. фотографии на рис. 3).
В некоторых галактиках спирали начинаются как бы от концов толстого прямого звездного рукава — «бара», расположенного в центре галактики. Такие галактики называются спиральными с перемычкой и их обозначают SBa, SBb или SBc.
Но далеко не все галактики обладают спиральной структурой. Многие галактики имеют на фотографии форму кругов или эллипсов с расплывчатыми очертаниями и сильной концентрацией яркости к центру. Это так называемые эллиптические галактики. Их обычно обозначают буквой Е. И если невозможно найти две одинаковые спиральные галактики — у каждой свой, подчас очень сложный рисунок ветвей, то эллиптические галактики часто практически неотличимы друг от друга по форме.
Эллиптические галактики могут иметь различную степень сплюснутости. Для ее учета часто за буквой Е пишут цифру, которую определяют следующим образом. Пусть галактика выглядит как эллипс с большой осью а и малой осью 6; тогда цифра, характеризующая сплюснутость, — это округленная до целого числа дробь 10 (а—b)/а. Цифра 0 соответствует «круглой» галактике, 6 — сильно сплюснутой. Эллиптические галактики, сплюснутость которых характеризовалась бы цифрами, большими 6, не наблюдаются.
Между типами S и Е в классификационной последовательности располагаются так называемые линзовидные галактики (они обозначаются как S0), но о них мы расскажем несколько позже.
Существуют также галактики, которые не имеют ни спиральных ветвей, ни эллиптических или близких к ним очертаний. Пример тому—ближайшие к нам галактики — БМО и ММО. Подобные галактики обладают неправильной, асимметричной формой, потому и получили название «неправильные» (обозначаются Ir).
Мы описали наиболее широко распространенную, хотя и довольно приближенную классификацию наблюдаемых форм галактик. Сразу же заметим: не для всех галактик она годится, так как слишком многообразны по внешнему виду могут быть звездные острова. Но мы пока ограничимся рассмотрением этих трех типов, объединяющих абсолютное большинство наблюдаемых галактик: эллиптические Е, спиральные S, неправильные Ir.
Чем вызвано различие этих типов галактик по их внешнему виду? Чем галактики этих типов физически отличаются друг от друга? Почему вообще галактики бывают такими непохожими одна на другую? Над решением этих вопросов работают сейчас ученые.
Довольно быстро было установлено, что галактики различных типов отличаются по цвету.
Глаз человека не различает цветовые оттенки, если объекты наблюдений имеют нпзкую яркость (как, например, галактики). Да и невозможно получить объективные и точные глазомерные оценки цвета, даже если исследовать яркий источник. В астрономической практике для измерения цвета обычно фотографируют объект через два или несколько светофильтров. После этого по специальной методике, которой мы здесь касаться не будем, измеряя степень почернения изображения на негативах, получают количественную оценку цвета объекта, так называемый показатель цвета.
Измерив цвета галактик различного типа, астрономы выявили следующую закономерность: при переходе от Е- к S- и далее к Ir-галактикам их цвет систематически становился все более и более голубым. О чем это может говорить? Видимо, о том, что у галактик различен звездный состав — ведь цвет галактик определяется цветом и светимостью составляющих их звезд.
Итак, галактики отличаются своим внешним видом, размерами, звездным составом (цветом). Они также различаются по массе, количеству межзвездного газа и другим характеристикам. Однако многие галактики объединяет и нечто общее. Это — их строение, основные особенности структуры.
Рассмотрим, к примеру, структуру спиральных галактик. Мы видим их как пятна с круглыми или эллиптическими очертаниями, внутри которых прослеживается спиральная структура. По одному их только изображению ничего нельзя сказать об их пространственной форме. Когда хотят ее определить, скажем, у торного хребта или недоступной горы, делают стереофотоснимок — фотографируют объект (например, с самолета) в двух ракурсах. Но сделать стереоснимок галактик мы, к сожалению, никогда не сможем — слишком велики до них расстояния.
Изучению пространственной структуры помогает статистика — ведь мы наблюдаем не одну, а много галактик, по разному относительно нас ориентированных в пространстве. Статистический анализ наблюдений показал, что спиральные галактики — сплюснутые и в большинстве своем осесимметричные образования (правда, расположение отдельных ярких участков может нарушать эту симметрию).
Структура галактики особенно хорошо заметна, когда мы наблюдаем ее «с ребра». Тогда в ней ясно видны звездный диск и утолщение в центре (рис. 3).
Диск в большинстве спиральных галактик — их самая массивная часть. Он включает в себя преобладающую массу звезд и дает основной вклад в свечение галактики. Толщина диска обычно составляет сотни парсек. На фотографиях те галактики, что повернуты к нам ребром, кажутся пересеченными темной неровной полоской, идущей вдоль диска. Это — следы межзвездной пыли. На примере нашей Галактики мы знаем, что в межзвездном пространстве газ перемешан с пылью. Газа примерно в 100 раз больше, чем пыли, но он прозрачен и поэтому не задерживает свет звезд. Иное дело — пыль. Из-за нее далекие звезды в направлении Млечного Пути мы видим сильно ослабевшими и покрасневшими. Млечный Путь — это наиболее яркая, близкая к плоскости нашей Галактики область звездного диска. Даже невооруженным глазом заметно, что его очертания очень неровны. В созвездии Лебедя Млечный Путь даже раздваивается на два рукава. Все это — результат проекции на Млечный Путь облаков межзвездной среды, содержащих пыль. И поэтому если бы мы могли наблюдать диск нашей Галактики со стороны, «с ребра» (а где-нибудь кто-то наверняка его так наблюдает), то также видели бы его пересеченным темной полосой.
Газо-пылевой слой по толщине в несколько раз меньше звездного диска (см. рис. 4). Но с газом связаны молодые и горячие звезды, звездные скопления, облака нагретого водорода. Все эти объекты образуют так называемую плоскую составляющую галактик, изобилующую яркими источниками света, которая располагается внутри звездного диска. Спиральные ветви — самое первое, что бросается в глаза на снимках галактик, — также образованы членами плоской составляющей.
Обратимся теперь к утолщению в центральной части галактик. Его образуют звезды, принадлежащие к так называемой сферической (или, правильнее, сфероидальной) звездной составляющей. В отличие от плоской она не сильно концентрируется к плоскости галактики: поверхности равной концентрации ее звезд в пространстве представляют собой эллипсоиды вращения с отношением осей от 1:1 до 3 : 1. Однако звезды сфероидальной составляющей очень сильно концентрируются к центру галактики, вблизи которого их плотность особенно велика.
Итак, плоская составляющая со спиральными ветвями, яркими звездами, газом и пылью, массивный звездный диск и сфероидальная составляющая — это элементы структуры спиральных галактик. В разных галактиках относительный вклад их в общую светимость различен. Как правило, от Е- к S- и далее — к Ir-галактикам уменьшается вклад сфероидальной и растет яркость плоской составляющей, которая богата молодыми горячими звездами.
Различные составляющие галактик имеют свойственный только им закон уменьшения яркости от центра галактики к ее краю. Яркость звездного диска (вместе с плоской составляющей) / почти всегда связана с расстоянием от центра R простым экспоненциальным законом: I1=Ae–Bk, или lnI1=А1—B1R, где А, А1 и В, В1 — величины, постоянные для данной галактики.
Для эллиптической галактики зависимость наблюдаемой яркости от расстояния до центра I2(R) имеет приблизительно такой вид: lnI2 = C—DRl/4; здесь С и D — также постоянные величины (различные, конечно, для разных галактик). Очень важно, что такая же зависимость характерна и для яркости сфероидальных составляющих спиральных (а возможно, и для неправильных) галактик. Отсюда следует такой вывод: спиральные галактики по своей структуре отличаются от эллиптических только тем, что имеют звездные диски со спиральными ветвями. Если же мысленно убрать у них звездный диск, то перед нами окажется обычная эллиптическая галактика.
Интересно, что в природе много и таких галактик, у которых есть и сфероидальная составляющая и диск, но отсутствует плоская составляющая, т. е. молодые горячие звезды или спиральные ветви. Такие галактики выглядят осесимметричными образованиями, очень похожими на эллиптические, и лишь по тому, каким законом описывается падение их яркости к краю, можно узнать о наличии в них звездного диска. Это — уже упоминавшиеся линзовидные галактики S0. На классификационной схеме их помещают между спиральными и эллиптическими галактиками — у них есть сходство и с теми и с другими.
В табл. 3 просуммировано все вышесказанное о структуре галактик различных типов. Знаки «+» или «—» в ней указывают на наличие или отсутствие тех или иных элементов структуры галактики.
Из табл. 3 видно, что строение галактик, в общем-то, сходно: они содержат те же элементы структуры, однако относительная доля массы, приходящаяся на различные компоненты ее структуры, меняется в широких пределах от галактики к галактике. Но вместе с этим, как оказалось, меняются и свойства так называемого звездного населения галактик, к рассказу о котором мы переходим.