Как происходит сближение и испарение звезд? Можно ли рассчитать полную массу нашей Галактики? Какие наблюдения подтверждают возможность слияния галактик? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Алексей Расторгуев.

Современной наблюдательной астрономии 400 лет. Она началась после того, как Галилей впервые использовал простенький телескоп и взглянул на небо. Для человечества 400 лет — это очень много, но для процессов, которые идут на небесах, это крошечное время, за которое вообще не удается заметить никаких изменений, происходящих на небе: звезды почти не смещаются со своих положений, галактики тем более, и может показаться, что, глядя на небо, мы видим застывшую картину. Однако, если рассматривать то, что происходит на небе на астрономических интервалах времени — сотни миллионов и миллиарды лет, мы поймем, что там происходят катастрофические процессы. И об одном из таких процессов, который можно назвать своеобразным космическим «каннибализмом», я хочу рассказать.

Звездная динамика хорошо знает, что звездные системы, находящиеся под действием своего собственного гравитационного поля, не могут оставаться неизменными — они эволюционируют. И одна из причин их эволюции, их изменения — это процессы, которые происходят между звездами. Мы их называем звездными сближениями. При сближении двух звезд звезды могут обменяться энергиями: одна может отдать энергию другой, другая — получить эту энергию. Количество энергии зависит от того, как сближаются звезды — на какое расстояние и с какими скоростями. И в принципе могут быть ситуации, когда количество переданной энергии увеличит энергию одной из звезд настолько, что ее скорость превзойдет вторую космическую, и тогда звезда покинет звездную систему. Этот процесс называется испарением звезд.

Рекомендуем по этой теме:
12822
FAQ: Эволюция галактик

Но это не единственный механизм. Есть еще мощный механизм приливных сил. Шаровые скопления нашей Галактики, карликовые спутники нашей Галактики находятся в мощном гравитационном поле нашей Галактики, масса которой — тысяча миллиардов солнечных масс, а их масса на порядок, а то и на два порядка меньше. Следовательно, своим мощным гравитационным полем наша Галактика стремится разорвать эти звездные системы. Это приводит к тому, что естественный процесс потери звезд за счет испарения звезд усиливается. Объект — шаровое скопление или карликовая галактика — начинает резко и быстро уменьшать свою массу и в конечном счете может распасться в приливном поле.

Поиск таких явлений распада — а это не что иное, как какой-то тип каннибализма, когда массивная галактика-хищник разрушает и съедает своих менее удачливых компаньонов, — это очень интересная задача. Ее решают в последние годы с помощью наблюдений, получающихся на 2,5-метровом телескопе, на котором выполняется очень известный проект Слоановского обзора неба. Одна из задач этого обзора, в рамках которого измерен блеск и скорости нескольких сотен тысяч звезд нашего Млечного Пути, других компаньонов Галактики и миллионов далеких галактик, — найти следы разрушения других галактик и звездных скоплений.

Почему это интересно, помимо того, что мы можем найти объекты, которые разрушаются? Дело в том, что звезды, уходящие из разрушающегося под действием приливных сил скопления или галактики, в течение долгого времени движутся по той же орбите, что и сама галактика. Один из шлейфов опережает скопление, а другой отстает. Поэтому, зная геометрию этих шлейфов, то есть зная расстояние, на котором находятся звезды, зная их скорости, мы можем восстановить орбиту этого скопления. Если бы этих шлейфов не было, мы бы не смогли ничего сказать об орбите объекта, потому что, несмотря на то что расстояние до него мы знаем, его скорость мы знаем, мы не будем знать, куда оно движется, потому что оно движется под действием гравитационного поля галактики, которое очень плохо известно. А в данном случае, когда наблюдаются шлейфы, мы можем восстановить орбиту. А раз так, то орбита нам позволяет наложить ограничения на форму гравитационного потенциала и распределения масс в галактике.

Один из известнейших и интереснейших объектов, который был открыт в рамках Слоановского обзора неба, — это карликовая галактика в созвездии Стрельца.

Эта галактика находится в 60 тысячах световых лет от нас, далеко за галактическим центром, и у нее в последние годы обнаружено четыре шлейфа — два в северном полушарии и два в южном. Астрономы считают, что каждая из этих пар шлейфов соответствует прохождению этой галактики по двум соседним виткам своей орбиты. И в результате, наблюдая эти шлейфы, измеряя скорости звезд, их расстояния, мы можем довольно точно восстановить характер распределения масс в нашей Галактике.

Был обнаружен еще один интересный объект — это шлейф от распадающегося, пока еще не обнаруженного, скорее всего, шарового скопления. На небе он виден как широкая полоса, которая занимает 60 с лишним градусов на небесной сфере. Расстояние до звезд известно, их скорости известны, и, по сути дела, известна большая доля витка орбиты. Наблюдения таких шлейфов крайне сложные, потому что выделить уплотнение звезд, имеющих почти одинаковые скорости, почти одинаковые расстояния, на фоне плотного и неоднородного звездного фона галактики — это очень сложная задача. Тем не менее эта задача крайне интересная, потому что часто других способов взвешивания нашей Галактики, то есть определения полной массы Галактики, мы не знаем. А подобные наблюдения позволяют наложить ограничения на форму гравитационного потенциала и, в частности, на полную массу нашей Галактики. Согласно современным наблюдениям, полная масса нашей Галактики в десять раз превышает полную массу того вещества, которое мы видим: звезд, звездных скоплений, газа и пыли.

Явления, о которых я только что рассказал, можно в какой-то степени назвать галактическим «каннибализмом», но это, так сказать, малый «каннибализм», то есть процессы, происходящие вокруг одной достаточно массивной галактики. Если посмотреть на многочисленные изображения далеких галактик, которых в интернете очень много, мы увидим, что многие галактики выглядят как бы взаимодействующими: на изображениях они расположены рядом друг с другом, их формы искажены, часто мы видим хвосты, направленные друг к другу и в противоположные стороны. Все это свидетельствует о том, что взаимодействие галактик, в том числе крупных, массивных галактик, — это общее свойство во Вселенной.

Астрономы, наблюдая очень далекие галактики с помощью крупных телескопов, в первую очередь космического телескопа Хаббла, разглядели на этих изображениях массовые взаимодействия таких галактик, которые, по-видимому, приводят к слияниям. В частности, в некоторых эллиптических галактиках — а известно, что в этих галактиках практически нет газа, практически нет молодых звезд, природу, происхождение этих галактик мы еще не до конца понимаем — иногда обнаруживаются в центральных областях несколько уплотнений, несколько ядер. Не исключено, что такие галактики образовались в результате слияния двух или нескольких галактик достаточно большой массы, и к настоящему времени следы слияния все еще существуют, их ядра еще не до конца рассосались.

Рекомендуем по этой теме:
4288
Звездные скопления

Еще одним подтверждением того, что галактики могут взаимодействовать, разрушаться и сливаться, является очень интересное наблюдение поведения газа и звезд в некоторых спиральных галактиках. Казалось бы, что о спиральных галактиках мы знаем все, но оказывается, что в некоторых галактиках вращение газа и звезд происходит в разные стороны, в отличие от того, что мы видим в нашей Галактике, в туманности Андромеды и в подавляющем большинстве других спиральных галактик. Проще всего это объяснить именно явлением слияния двух галактик, которые вращались в противоположные стороны и еще не до конца слились. Более того, современная теория эволюции галактик говорит нам о том, что, сливаясь, взаимодействуя, спиральные галактики, две или несколько крупных галактик, могут привести к созданию объекта, который очень похож на многочисленные эллиптические галактики, наблюдаемые сейчас.

Между прочим, подобная судьба может ожидать и наш Млечный Путь, и туманность Андромеды: эти две массивные галактики, расположенные, в общем-то, недалеко друг от друга, сближаются со скоростью чуть меньше 200 километров в секунду, и мы с нетерпением, можно сказать, ожидаем, как через 2,5–3 миллиарда лет эти галактики соприкоснутся и начнут очень сильно взаимодействовать друг с другом, в результате чего из галактик будет выметен газ.

Не исключено, что через несколько миллиардов лет на месте нашей Местной Группы возникнет крупная эллиптическая галактика.

Еще одно подтверждение, правда, косвенное, состоит в том, что в ядрах некоторых массивных галактик обнаружены двойные сверхмассивные черные дыры. Сейчас мы знаем, что сверхмассивные черные дыры — это характерная черта практически всех массивных галактик, они есть буквально везде, где мы можем наблюдать движение газа или звезд с большими скоростями, в том числе и в нашей Галактике. Но большинство этих объектов — одиночные сверхмассивные дыры, а есть еще и двойные. Двойные дыры могут образоваться как раз в результате слияния двух галактик с черными дырами, при которых эти черные дыры не так быстро сливаются, и мы сейчас эти следы все еще видим.

Резюмируя все это, можно сказать, что явление взаимодействия галактик — это обычное дело во Вселенной, оно происходило с еще большей интенсивностью на ранних стадиях существования Вселенной, когда Вселенной было 2–3 миллиарда лет, и наблюдения далеких галактик это показывают. Процессы в меньшем масштабе происходят сейчас, например, в нашей Местной Группе галактик, включающей туманность Андромеды и наш Млечный Путь, и будут происходить и в дальнейшем в малых группах галактик, где есть гигантские спиральные галактики, которые могут со временем слиться в эллиптические галактики. Такой процесс можно назвать большим галактическим «каннибализмом».