5 років тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Долго трудилась Вселенная, чтобы создать меня,

Ласковы и преданны были те руки, которые направляли меня.

Вихри миров, кружась, носили мою колыбель, они гребли и гребли, как лихие гребцы.

У. Уитмен

Ранее мы убедились, что целый ряд наблюдаемых свойств и различий как у галактик, так и у систем га­лактик мог быть приобретен уже после их образования, во-первых, под действием внутригалактических факто­ров и, во-вторых, благодаря навязанной извне эволю­ции, обусловленной динамическим взаимодействием га­лактики с ее окружением. В то же время, такие гло­бальные свойства галактик, как их масса, размеры, мо­мент вращения, сплюснутость, — все это эволюцией не объясняется, а следовательно, должно быть отнесено к процессам образования, т. е. к начальным условиям.

В последние годы были достигнуты значительные ус­пехи в понимании того, как возникли основные струк­турные и динамические особенности галактик. Этот про­гресс стал возможен благодаря обширным численным расчетам различных моделей сжимающихся протогалак­тик. Разумеется, самих протогалактик никто еще не ви­дел; с достоверностью неизвестна ни их структура, ни состояние протогалактической материи в начале сжатия. Однако можно имитировать эти плохоизвестные исходные условия выбором различных моделей с разными на­чальными параметрами и затем рассчитать эволюцию моделей на быстродействующих ЭВМ. Сравнивая затем результаты расчетов с имеющимися (наблюдательными данными о структуре и динамике реальных галактик, можно отобрать уже довольно узкий набор начальных условий и параметров, при которых ЭВМ лучше всего «воспроизводят» сегодняшнее состояние галактик.

Познакомимся с основными результатами, получен­ными при конкретном моделировании образования эл­липтических и спиральных галактик.

Формирование эллиптических галактик. Рассмотрим сначала модель сжимающейся протогалактики, где уча­ствуют только звезды, а газ отсутствует. Наиболее под­робные расчеты свободного падения систем звезд, про­деланные Дж. Готтом (США), смогли воспроизвести наблюдаемое распределение плотности в эллиптических галактиках лишь при условии, что их внешние области строились за счет непрерывно «продолжавшегося паде­ния звезд на протогалактику из окружающего ее про­странства с более низкой звездной концентрацией. Как оказалось, именно этот фактор, а не бурная релаксация определяет здесь форму окончательного распределения плотности. Но из-за зависимости от внешних условий результирующее распределение плотности оказывается чувствительно различающимся (чего не наблюдается) у галактик, образующихся в разных условиях. Другие очень существенные трудности чисто звездных моделей состоят в невозможности воспроизвести ни их компакт­ные ядра, наблюдаемые в центрах эллиптических галак­тик, ни увеличение содержания металлов к центру, ни обеспечить выживание галактик при их скучивании в группы и скопления, о чем уже говорилось выше.

Объяснение последних трех свойств, как и многих других, становится возможным, если в сжатии протогалактик, помимо звезд, участвовал газ. Мы обсудим те­перь многочисленные расчеты чисто газовых моделей, выполненные Р. Ларсоном (США).

Согласно этим моделям, свободное падение протогалактик началось, когда они состояли из одного лишь га­за: в ходе сжатия были существенны газодинамические эффекты и образование звезд. Газ протогалактик, даже если вначале он был очень горячим, быстро остывал и образовывал плотные конденсации в результате действия гравитационной неустойчивости Джинса и давления со стороны более горячих участков; результатом этого явилось возникновение множества облаков. Движения облаков сопровождалось их столкновениями, образова­нием ударных (волн и дальнейшим уплотнением газа. Турбулентность, способствуя переносу наружу углового момента, позволяла лишенным вращения участкам со­бираться в очень компактную и плотную центральную область — ядро. Задавая подходящим образом ско­рость превращения таза в звезды (определенный про­извол в таком задании, обусловленный отсутствием строгой теории звездообразования,— конечно, серьез­ный недостаток подхода), Ларсон сумел неплохо вос­произвести наблюдаемое распределение плотности в ти­пичной эллиптической галактике, включая ее ядро.

Поскольку звездообразование происходит в ходе сво­бодного падения, звезды, рождающиеся раньше, успе­вают проэволюционировать и обогатить металлами пер­воначально водородно-гелиевую газовую среду сжима­ющейся протогалактики. Поэтому каждое следующее поколение звезд, образующееся на все меньшем расстоя­нии от центра, рождается из газа, все более и более обогащенного металлами. Градиент (крутизна нараста­ния к центру) химического состава звезд, наблюдаемый во внутренних областях эллиптических галактик, нахо­дится в неплохом согласии с предсказаниями этих мо­делей. У некоторых эллиптических галактик удалось измерить этот градиент и во внешних областях (гало). Этот факт очень интересен, так как согласно теоретиче­ским моделям высокое содержание металлов с малым градиентом вплоть до границ галактики соответствует очень быстрому звездообразованию еще на ранних ста­диях сжатия, т. е. наличию у галактик короткой, но мощной «яркой фазы» (рис. 6). Между тем модели с растянутым во времени звездообразованием предсказы­вают низкое содержание металлов на периферии галак­тик, т. е. резкий градиент химического состава. Будущие наблюдения содержания металлов в периферийных об­ластях эллиптических галактик позволят при исполь­зовании больших телескопов достаточно уверенно су­дить о характере «бурной молодости» галактик.

Эволюция светимости

Эволюция светимости

Сверхновые звезды, при вспышках которых создают­ся и забрасываются в межзвездный газ металлы, сами же оказывают обратное влияние на обилие металлов. Дело в том, что кинетическая энергия оболочки, сбра­сываемой при взрыве сверхновой, столь велика, что обо­лочка может сообщить межзвездному газу большую скорость. Кумулятивное воздействие многих вспышек сверхновых в принципе способно вымести из галактики значительную часть ее газа, и сделать это тем легче, чем меньше масса галактики. Может быть, именно с «выметающим» воздействием сверхновых связан тот факт, что содержание металлов, как правило, меньше у эллиптических галактик с меньшими массами, причем галактики-карлики лишены компактных ядер, характер­ных для более массивные звездных систем.

Формирование спиральных галактик. Напомним, что спиральные галактики в отличие от эллиптических со­стоят из двух основных компонент: сфероидальной и плоской, или дисковой. В различных спиральных галак­тиках эти две компоненты содержатся в различных про­порциях, от которых зависит степень развитости спи­ральных рукавов — величина последней лежит в основе идущей от Хаббла классификации спиральных галактик по морфологическим подтипам. Позднее А. Сэндидж установил, что последовательность спиральных галак­тик одно/временно есть и последовательность возраста­ющей доли газа в полной массе галактики. Интересно, что отношение масс диска и балджа весьма слабо кор­релирует с весовой долей газа для данной галактики, и поэтому современная классификация спиральных галак­тик использует оба этих параметра, рассматривая их как почти независимые.

Вспоминая сказанное выше о трасформации протогалактик в эллиптические галактики, легко понять, что образование диска в результате сжатия первоначально сфероидального тела требует ощутимой диссипации энергии, а значит, должно опираться преимущественно на газовую, а не на звездную составляющую. Тем самым звездообразование в сжимающейся протоспиральной га­лактике не должно быть чересчур быстрым, пока из нее не диссипировало столько энергии, чтобы она смогла, сжавшись, приобрести нужную степень уплощения. Ины­ми словами, картина превращения протогалактики в спиральную галактику сильно отличается от формиро­вания эллиптической галактики, где звезды образуют­ся еще на стадии почти сферического сжатия.

Эти качественные соображения подтверждаются чис­ленными расчетами моделей образования спиральных галактик. Согласно этим моделям часть газа коллапсирующей протогалактики превращается, пока она еще сферическая, в звезды, которые образуют сфероидаль­ную подсистему, а другая часть приходит в центробеж­ное равновесие еще в форме газа, образующего диск, который лишь после этого превращается в звезды. Тем самым протогалактими, которые превращаются соответ­ственно в эллиптические и спиральные галактики, дол­жны существенно отличаться по эффективности (ско­рости) звездообразования на ранней фазе их сжатия и количеству остающегося несконденсированным газа (из которого на более поздней стадии формируется плоская подсистема).

Возможность объяснить специфику спиральных га­лактик вытекает из численных расчетов Ларсона, в ко­торых изучалась зависимость эффективности звездооб­разования от частоты столкновений, начальной плотно­сти и разброса скоростей газовых облаков, которыми моделировалась исходная протогалактика. Как выяс­нилось, начальные условия влияют на эффективность звездообразования двояким образом. Во-первых, если скорость звездообразования зависит от плотности га­за р сильнее, чем g3/2 , то отношение характерного вре­мени звездообразования к времени сжатия увеличива­ется с уменьшением начальной плотности газа, так что в результате из более разреженных протогалактик бу­дут формироваться системы с менее развитой сфериче­ской и более развитой плоской подсистемами. Во-вто­рых, если скорость звездообразования увеличивается с увеличением разброса скоростей газовых облаков, то результирующая пропорция диск/балдж будет тем больше, чем меньше начальный разброс скоростей. По­скольку протогалактика некоторой фиксированной мас­сы при большем начальном радиусе (и меньшей плот­ности) имеет меньший разброс скоростей, оба эффек­та, складываясь, действуют в одном направлении.

Внимательный читатель, видимо, давно уже недоуме­вает, а какова же роль вращения в образовании спи­ральных галактик — ведь плоская подсистема спираль­ных галактик находится в равновесии именно благода­ря равенству гравитационных сил центробежным (сфе­рическая же составляющая, так же как и эллиптиче­ская галактика, обладает слабым вращением — их рав­новесие обязано хаотическим скоростям звезд). Модель­ные расчеты Ларсона не дают удовлетворительного от­вета «а этот вопрос. Однако можно предположить, что вращение косвенно участвовало в начальных условиях: возможно, меньшая средняя плотность (или больший радиус) протогалактик, давших жизнь спиральным га­лактикам, фактически была обусловлена вращением. Вращение важно и при сжатии протогалактик — оно уменьшает скорость звездообразования.

Итак, модельные расчеты подсказывают, что причи­ной, вызвавшей появление разных типов галактик — от эллиптических до спиральных — было, по-видимому, различие в плотностях и разбросе внутренних скоростей исходных протогалактик. Сегодняшние галактики, в ко­торых доминирует сфероидальная компонента (систе­мы типов Е, S0 и Sa), могли образоваться из протога­лактик с более вышкой плотностью и разбросом скоро­стей, тогда как формирование сильно уплощенных га­лактик (типа Sb и Sc), где сфероидальная компонента слаба, могло происходить из протогалактик с меньшей плотностью и менее развитой турбулентностью. Эти выводы согласуются с тем, что богатые (и плот­ные) скопления галактик,, где велики среднеквадратич­ные скорости, населены преимущественно эллиптически­ми галактиками. Напротив, в бедных и разреженных скоплениях и группах галактик, одновременно характе­ризуемых более низкими скоростями, основным видом населения являются спиральные галактики. Они же, как правило, создают и «фон» изолированных галактик.

Интересно, что эта тенденция прослеживается не только для систем галактик в целом, но и на довольно детальном уровне для определенного типа систем, ска­жем скоплений галактик. Так, доля эллиптических га­лактик, наибольшая в массивных, плотных скоплениях с четкой концентрацией галактик к центру и наимень­шая в бедных неправильных скоплениях. С другой сто­роны, спиральные галактики редки в наиболее плотных скоплениях и практически не встречаются в их цент­ральных областях. Конечно, такая корреляция частично может быть обусловлена упоминавшимся выше «сдуванием» газа вследствие динамического напора межгалак­тической среды, который особенно велик в богатых скоплениях. Выметание газа из спиральных галактик превращает их, как давно указали американские аст­рономы В. Бааде и Ф. Цвикки, в линзовидные галак­тики. Но (отметим это еще раз) эффект динамическо­го напора межгалактической среды полностью не объяс­няет обсуждаемую корреляцию между типом галактик и типом скопления, к которому они принадлежат: даже если взять только эллиптические и S0-галактики (и те, и другие практически полностью лишены газа), доля первых тем выше, чем больше плотность скопления.