Наша звёздная галактика — это Гигантская спиральная система, называемая Млечный Путь, входит в Местную систему и является одной из самых больших звездных галактик системы. Вторая крупная звёздная галактика вселенной — знаменитая туманность Андромеды (Галактика М 31 по каталогу Ш. Месье, или по новой классификации NGC 224). Первые представления о Млечном Пути как об отдельной звездной системе сложились в результате выдающейся работы Гершеля, но лишь в 20-х годах нашего века, когда выяснилось, что существуют другие гигантские звездные галактики, находящиеся на огромных расстояниях от Млечного Пути, стала окончательно очевидна обособленность нашей звездной Галактики, стал ясен факт, что Галактика — лишь один из бесчисленного количества окружающих нас звездных миров. Вскоре после этого, в 1924-1926 годах обнаружили вращение Галактики, а в 1944-м два типа звездных населений в Галактике. Что это значит?
Звезды отличаются не только по массе и светимости, но и по возрасту. Наиболее старые звезды обеднены тяжелыми элементами. Молодые же по сравнению со старыми обогащены элементами тяжелее гелия. Так вот, оказалось, что звезды, расположенные в плоскости диска Галактики, сравнительно молоды; к их числу относится наше Солнце.
Кстати, Солнце и Солнечная система расположены не просто в диске, а вблизи плоскости симметрии диска. Существующие оценки показывают, что расстояние между Солнцем и этой плоскостью не превышает 10 парсек, а расстояние до центра Галактики составляет около 10 килопарсек. Звезды же, принадлежащие гало, имеют более солидный возраст, и содержат гораздо меньше тяжелых элементов. Галактическое гало (сферическая часть звездной Галактики) образовано шаровыми скоплениями — компактными группами, содержащими сотни тысяч звезд.
Лишь в начале 50-х годов было подтверждено предположение о спиральной структуре нашей Галактики. В мире звёздных галактик наш Млечный Путь занимает отнюдь не последнее место. Это гигантская звездная галактика с диаметром диска около 100 тысяч световых лет и толщиной около 30 тысяч световых лет. Масса видимого вещества в звездной Галактике оценивается в 1,5-10 солнечных масс. Но, несмотря на впечатляющую величину массы Млечного Пути, еще большая масса невидимого вещества содержится в короне звёздной Галактики. Эта масса оценивается примерно в 1012 масс Солнца.
Галактика чрезвычайно напоминает живой организм. Она обладает своим внутренним обменом веществ — космическим метаболизмом. Различные объекты Галактики тесно связаны между собой и находятся в процессах непрерывного взаимодействия. Это взаимодействие отчетливо прослеживается на всех уровнях иерархии отдельных систем звездной Галактики.
Чтобы не быть голословным, приведу несколько примеров. Звезды рождаются из массивных газопылевых облаков. В процессе эволюции звезда «нарабатывает» в своих недрах новые элементы. Если в дальнейшем она взрывается в виде сверхновой, эти элементы включаются уже в состав новых звезд.
Сами звезды производят снова газ и пыль, которые поставляются ими в межзвездную среду. Это сильно напоминает школьное выражение о «круговороте веществ в природе». Процесс рождения звезд зависит, например, и от космических лучей, а космические лучи, в свою очередь, производятся сверхновыми.
Что собой представляют космические лучи? Это заряженные частицы очень высоких энергий. Они приходят на Землю в достаточной мере изотропно, то есть примерно в одинаковых количествах со всех направлений. Оценки показывают, что, в принципе, космические лучи не должны долго задерживаться в Галактике. Ведь их скорость близка к скорости света, и поэтому, если бы им ничто не мешало, они покинули пределы Млечного Пути достаточно быстро, за время порядка 100 тысяч лет. На самом же деле они путешествуют в Галактике гораздо больший промежуток времени — около десяти миллионов лет.
Что же меняет столь радикальным образом характерное время пребывания космических лучей в Галактике? Ответ более или менее очевиден: крупномасштабное галактическое магнитное поле. Доказательством тому служит синхротронное радиоизлучение электронов космических лучей, приходящее к нам из районов Галактики, не связанных ни с облаками межзвездного газа, ни с какими-либо другими дискретными радиоисточниками. Таким образом, и космические лучи, и магнитные поля — составные элементы нашей Галактики.
Чрезвычайно важной компонентой что звездная Галактика является межзвездная среда. В основном это газ и пыль. Газ — межзвездный водород — можно наблюдать по излучению на волне 21 сантиметр. Он сконцентрирован в тонком диске, образованном молодыми звездами, и образует отдельные облака. Интересно, что некоторое количество газа обнаружено вне диска. Водород может присутствовать как в атомарной, так и в молекулярной форме.
Гигантские молекулярные облака содержат в форме молекулярного водорода Н2 значительную часть массы межзвездного газа в нашей Галактике. Их характерный размер составляет 20-30 парсек, а иногда и того больше. Солнечная система просто потерялась бы внутри такого облака. Его масса в сотни тысяч раз превышает массу Солнца. Таким образом, гигантские облака молекулярного водорода являются наиболее массивными изолированными объектами в Галактике. Неудивительно, что они могут играть особую роль в ее динамике.
Удивительно скорее другое обстоятельство. Ведь вещество облака — молекулярный водород — практически невидимо, и большая часть сведений о нем получена весьма косвенным образом, по данным радиоизлучения входящего в состав облака молекул угарного газа на длине волны 2,6 миллиметра. Именно поэтому острые дискуссии относительно точного значения массы облаков, их размеров, причин образования и т. д. не утихают и по сегодняшний день, а разногласия между оценками, сделанными различными группами исследователей, весьма значительны. К тому же стоит отдельно подчеркнуть, что происхождение гигантских облаков до сих пор остается загадкой.
Скажем прямо — это отнюдь не единственная загадка. Массу проблем ставит перед астрономами и центр Галактики. Положение осложняется тем, что центральная область Млечного Пути скрыта от нас второй важной компонентой межзвездной среды — пылью. Она настолько сильно поглощает в оптическом диапазоне (до 30 т), что наблюдения здесь практически невозможны. Поэтому астрономы используют данные о центрах других, похожих на нашу галактик для оценок звездного состава центра галактики Млечный Путь. Тем не менее информацию о центральных областях астрономы могут все-таки получить, исследуя эти районы в инфракрасном, рентгеновском и гамма-диапазоне.
Мы уже говорили о том, что центры галактик проявляют различные формы активности, и наша звездная Галактика не является исключением. Центральные области звездной Галактики можно подразделить на три характерные зоны.
В зоне, имеющей радиус около 4 килопарсек, наиболее интересно резкое падение плотности газа. Образуется своего рода «дырка» в газовом диске Галактики. На расстоянии от центра в 600- 700 парсек проходит «граница» очень интересного района, который принято называть звездным балджем (от английского слова bulge — выпуклость). Эта область напоминает собой и по «форме» и по «содержанию» небольшую эллиптическую звезднуцю галактику, вкрапленную в центр Млечного Пути. Так же как эллиптические звездные галактики, балдж содержит в основном старые звезды, возраст которых существенно больше среднего возраста звездного населения диска.
Как я уже говорил, наблюдение центрального района Млечного Пути в оптическом диапазоне сильно затруднено, и поэтому приходится изучать балджи других спиральных звездных галактик. В нашей звезжной Галактике балдж проявляет себя по инфракрасному излучению. Основной вклад в это излучение вносят красные гиганты. Оценки дают значение массы балджа примерно в 30 миллиардов солнечных масс.
Наиболее загадочная область звездной Галактики — центральный парсек. По космическим масштабам эта область невелика, но здесь наблюдаются аномалии, не имеющие пока удовлетворительного объяснения.
Объяснить наличие всех этих источников в сравнительно маленькой области пространства довольно трудно, и здесь, как обычно, на помощь приходят черные дыры. Я специально употребил здесь множественное число, поскольку одной чёрной дыры для объяснения всех чудес в центре нашей звездной Галактики не хватает.
По модели Н. Кардашева, в центре Галактики должна находиться пара черных дыр, причем масса каждого из компаньонов порядка миллиона солнечных масс. Наличие такой пары дает возможность объяснить природу и параметры компактного радиоисточника и загадочной аннигиляционной линии.
В модели Кардашева вращательная энергия черной дыры преобразуется в конечном счете в энергию пучков релятивистской электронно-позитронной плазмы, направленных вдоль осей вращения черных дыр. Наблюдаемые по соседству с центральным парсеком облака атомарного водорода в рамках этой модели могут быть остатками звезд, разрушенных при взаимных столкновениях или разорванных приливными силами черных дыр. Облака эти были выброшены из области центрального парсека благодаря эффекту пращи.
Согласно альтернативным моделям центрального парсека там сравнительно недавно произошел взрыв сверхновой в массивной двойной системе. Остаток после взрыва также может быть источником позитронов, аннигиляция которых и дает наблюдаемую линию.
Перейдем теперь к проблемам, связанным с вращением Галактики. Для начала попытаемся объяснить происхождение этого вращения. Согласно наиболее популярной точке зрения на ранних стадиях эволюции протогалактики были гораздо больших размеров, чем нынешние галактики. Кроме того, космологическое расширение не успело разогнать их далеко друг от друга, и поэтому в эпоху образования протогалактикам в ранней Вселенной было довольно тесно. В этой ситуации приливные взаимодействия могли вызвать вращение галактик, причем, когда мы рассматриваем для простоты взаимодействие двух галактик, они приобретают одинаковые угловые моменты, направленные в противоположные стороны. Поскольку угловой момент — величина сохраняющаяся, то при падении вещества к центру галактик их вращение все время увеличивается. В какой-то момент времени падение вещества к центру прекращается и скорость вращения галактик стабилизируется.
Наша звездная Галактика вращается довольно сложным образом. Значительная часть материи звёздной Галактики вращается дифференциально. Поясним, что это такое. Хорошим примером дифференциального вращения служит вращение планет вокруг Солнца. Они движутся по своим орбитам согласно закону всемирного тяготения, и каждой планете «совершенно безразлично», как и по какой орбите двигается другая (конечно, достаточно далекая планета).
Есть другой тип вращения — твердотельный. Здесь уже картина совершенно другая. Пример твердотельного вращения — музыкальный диск, крутящийся на проигрывателе. Здесь угловая скорость вращения для любой точки диска одинакова.
В Галактике твердотельно вращается лишь некоторый участок диска, в котором линейная скорость возрастает пропорционально радиусу. Соответственно, мы можем сказать, что эта область Галактики вращается твердотельно с постоянной угловой скоростью.
За этим участком начинается дифференциальное вращение, и скорость вращения здесь уменьшается с увеличением расстояния от центра.
Самым примечательным процессом в проблеме вращения является движение спиральных рукавов. В них содержится значительное количество газа и пыли, в них происходят интенсивные процессы звездообразования, молодые звезды здесь встречаются чаще, нежели в других областях Галактики. Но как и почему возникает спиральная структура в галактиках?
Этот вопрос интересует астрономов более 50 лет. Еще в 1928 году Джине писал: «Каждая неудача при попытках понять происхождение спиральных ветвей делает все более и более трудным противостоять подозрению, что в спиральных туманностях действуют совершенно неизвестные нам силы, быть может отражающие новые и неожиданные метрические свойства пространства.
Предположение, которое настоятельно возникает, состоит в том, что центры туманностей имеют характер сингулярных точек. В этих точках материя втекает в наш мир из некоторого иного и совершенно постороннего пространства. Тем самым обитателю нашего мира сингулярные точки представляются местами, где непрерывно рождается материя».
Сейчас, более чем через полвека после написания этих слов, мы знаем, что действительно в центрах Галактик могут находиться сингулярные точки — черные дыры, что они могут по крайней мере перерабатывать материю. Ф. Хойл также полагал, что в ядрах звездных галактик рождается и впоследствии истекает оттуда материя, из-за чего и образуется в результате спиральная структура.
Сравнительно недавно известный советский астроном Б. Воронцов-Вельяминов пришел к выводу о том, что для объяснения многообразия всех структур галактик необходимо вводить некие новые, неизвестные физике типы взаимодействий.
Конечно же, неортодоксальные гипотезы существуют всегда. Даже когда какая-либо теория становится канонической, общепризнанной. Ну а когда ситуация в целом ясна еще не до конца, то попытки решения вопросов с помощью «первых принципов» и неортодоксальные модели долгое время идут параллельными курсами.
Тем не менее в последние годы оптимизм астрофизиков в вопросе спиральной структуры звездных галактик, ее происхождения и эволюции сильно возрос. Это связано в первую очередь с появлением идеи о волнах плотности, распространяющихся по галактическому диску, и процесс распространения представляет собой как раз твердотельное вращение спиральных рукавов.
Попробуем разобраться в этом вопросе несколько подробнее. Прежде всего отметим, что спиральных галактик очень много порядка 70 процентов от всех наблюдаемых галактик. Во многих случаях удалось выявить прямую связь между такой важной характеристикой спирального узора, как степень закрученности в зависимости от видимого распределения массы в галактике. Оказалось, чем сильнее сосредоточено вещество к центру звездной галактики, тем сильнее закручены спиральные рукава. Чем массивнее сама галактика в целом, тем более развита в ней спиральная структура.
Выраженная спиральная структура присутствует в звездных галактиках с твердотельным вращением, в галактиках с перемычкой, в звездных галактиках, имеющих близкий спутник. Таким образом, спиральные рукава — явление, широко распространенное в мире звездных галактик.
Любая теория спиральной структуры должна ответить, как минимум, на два основных вопроса: почему в некоторых звездных галактиках наблюдается ярко выраженный спиральный узор и почему этот узор существует довольно долго, выживает на протяжении многих оборотов звездной Галактики, несмотря на разрушающее воздействие дифференциального вращения? С наибольшей полнотой на эти вопросы ответила теория волн плотности. Что это такое?
Волна плотности — состояние уплотнения материи, распространяющееся по диску звездной Галактики. Это состояние не переносит за собой материю, не тащит ее за собой, а просто вовлекает «в игру» по мере своего распространения новые и новые участки диска, волна переходит от одних частиц (звезд!) к другим, создавая уплотнение в новом месте. Так, волной плотности является любая звуковая волна. Она распространяется в материальной среде, создавая по мере движения уплотнения в различных участках среды, но не увлекает за собой частицы среды.
Если бросить камень в воду, мы увидим на поверхности воды кольцевые волны. Но если размешивать сахар в стакане с чаем ложечкой, то каждый может наблюдать возникновение спиральных структур. Примерно то же самое происходит в галактических дисках.
Несмотря на то, что диск, по крайней мере часть его, вращается дифференциально, спиральный узор всегда вращается с одной и той же угловой скоростью — твердотельно. Теоретический анализ показал, что если спиральные рукава — волны плотности, то они должны быть достаточно устойчивыми образованиями.
Концепция волн плотности приводит к целому ряду очень интересных последствий. Первое из них состоит в следующем. Волна создает уплотнение в распределении звезд диска, а гребни волны имеют форму спиральных рукавов. Но изменение плотности в гребне волны не сильно отличается от средней плотности распределения звезд в диске. Этот контраст плотности вообще нельзя было бы заметить на фотографиях, если бы звезды в рукавах были такими же, как и в диске. Однако в кромках спиральных рукавов происходит интенсивное звездообразование и там присутствуют молодые звезды, которые на начальной стадии своей эволюции гораздо более ярки, чем большинство звезд диска. Высокая скорость превращения газа в звезды может быть связана со сверхзвуковыми течениями межзвездного газа через рукав. Из-за этого на входе газа в рукав, то есть на кромке рукава, образуются ударные волны, всегда появляющиеся при переходах к сверхзвуковым процессам. В ударной волне газ сильно сжимается, и это может служить началом процесса звездообразования.
Второе интересное следствие, вытекающее из концепции ударных волн, было отмечено советским астрономом Л. Марочником. Он подметил, что Солнечная система в звездной Галактике находится в выделенном, исключительном положении. Исключительность состоит в том, что скорости вращения волны плотности в месте расположения Солнца на радиусе диска и скорость вращения Солнца по галактической орбите примерно равны. Это означает, что Солнце расположено вблизи так называемого коротационного круга, на котором выполняется условие равенства скоростей твердотельного и дифференциального вращения. Очевидно, что в каждой галактике есть лишь один коротационный круг, который является в ней выделенным местом. Солнце вращается почти синхронно с волной плотности, и это должно было создать специальные условия для эволюции протосолнечного облака.
В зоне круга коротации условия звездообразования, разумеется, от личаются от упомянутых выше. Галактических ударных волн там практически нет, и досолнечное облако поэтому находится в течение всего своего времени жизни в рукаве в спокойных стационарных условиях. Можно показать, что в силу малого отличия в скоростях вращения между Солнцем и рукавами досолнечное облако могло лишь один раз находиться в рукаве. Второй раз пересечь рукав Солнечная система еще не успела. В настоящее время она находится между двумя спиральными рукавами нашей звездной Галактики — Персея и Стрельца.
Конечно же, расположение Солнца в специфических условиях близости к коротации может быть чисто случайным и не иметь непосредственного отношения к формированию Солнечной системы со всеми ее особенностями и, в частности, с наличием разумной жизни в Солнечной системе. Однако, если это вещь не случайная, то системы, подобные Солнечной, могут образовываться в нашей и в других галактиках именно около коротационного круга, где их стоит, быть может, поискать.
На этом мы и закончим весьма краткий обзор что есть наша звёздная галактика млечный путь. Я старался здесь отметить, лишь наиболее интересные вещи.
