Галактика - мир вечного безмолвия

 

 

3.1. Ядра галактик

Центральная область галактики, называемая ее ядром, представляет собой  наиболее плотную часть звездной системы. На изображении галактики  ядро выделяется своей высокой яркостью. Ядра можно заметить у галактик всех типов, кроме неправильных и большинства  карликовых галактик. Помимо звезд, в  пределах примерно тысячи световых лет  от центра галактики, часто концентрируется  межзвездный газ и многочисленные области молодых звезд, образующие вращающийся околоядерный диск. Наиболее удивительное свойство ядер, не объясняемое присутствием только обычных звезд и газа в ядре – это их активность, которая ярко выражена у нескольких процентов галактик высокой светимости. В активных ядрах наблюдаются нестационарные процессы, связанные с выделением большого количества энергии. В некоторых случаях мощность выделения энергии в ядре превышает 1037 Вт, что сопоставимо или превышает суммарную мощность излучения всех звезд галактики вместе взятых, хотя обычно она все же на 1–2 порядка ниже.

Форма выделения энергии  в ядрах, как и наблюдаемые  признаки активности, могут быть различными. Это быстрое движение газа со скоростями в тысячи км/с, мощное нетепловое излучение незвездной природы в различных областях спектра – от рентгеновской до радио, образование направленных плазменных струй (джетов), выбросы высокоэнергичных элементарных частиц, ответственные за мощное радиоизлучение галактики. Общей особенностью активных ядер галактик является переменность излучения на самых различных интервалах времени: от нескольких суток или даже часов до нескольких лет (рис. 5).

Галактики, обладающие активными  ядрами, принято разделять на несколько  типов. Различают галактики Сейферта, радиогалактики, квазары и лацертиды. Проявление активности ядер в каждом из этих типов галактик имеет свои наблюдаемые особенности. Однако во всех случаях источник мощной энергии ядра имеет крошечный размер по сравнению с размером галактики (существенно меньше светового года). «Сердцевиной» такого источника предположительно является сверхмассивная черная дыра, на которую падает, разгоняясь при падении до околосветовых скоростей, первоначально разреженная среда, находившаяся в ее окрестности (такой средой может быть межзвездный газ околоядерного диска или газ, входивший в состав звезд, разорванных гравитационном полем черной дыры). Это предположение подтверждается открытием в ядрах крупных галактик всех типов массивных объектов (по-видимому, черных дыр), не обладающих заметным излучением, но создающих очень сильное гравитационное поле. Их массы составляют от нескольких миллионов до нескольких миллиардов масс Солнца. Теоретически, кинетическая энергия падения вещества, сообщаемая ему гравитационным полем черной дыры, может в десятки раз превосходить энергию, которую способны дать любые термоядерные реакции в этом веществе. С этой точки зрения, активность ядра связана с различными механизмами преобразования энергии падающего вещества в другие формы. При этом ядро галактики может находиться в активном или спокойном состоянии в зависимости от наличия потоков вещества на черную дыру.

   Ядро нашей Галактики, как и соседней с нами Туманности Андромеды, находится в сравнительно спокойном состоянии, несмотря на то, что в самом центре этих галактик обнаружено существование объектов, по-видимому, являющихся массивными черными дырами (рис. 6). Ближайшая к нам спиральная галактика с активным ядром – галактика Сейферта NGC 1068, находящаяся на расстоянии около 50 млн. св. лет в созвездии Кита. Ближайшая пекулярная эллиптическая галактика с активным ядром – радиогалактика NGC 5128 в созвездии Центавра Расстояние до нее в несколько раз меньше. 

 

 

 

 

Глава 4. Общие свойства галактик

 

Галактики – сложные по составу и структуре системы. Самые маленькие из них по числу  звезд сопоставимы с большими звездными скоплениями в нашей  Галактике, однако по размерам они значительно  их превосходят: диаметр даже самых  маленьких галактик составляет несколько  тысяч св. лет. Размеры гигантских галактик в сотни раз больше.  Галактики не имеют резких границ, их яркость постепенно спадает с  удалением от центра наружу, поэтому  понятие размера не является строго определенным. Видимый размер галактик зависит от возможности телескопа  выделить их внешние области, имеющие  низкую яркость, на фоне свечения ночного  неба, которое никогда не бывает абсолютно черным. В его слабом свете «тонут» периферийные части  галактик. Современная техника позволяет  регистрировать области галактик с  яркостью менее 1% от яркости ночного  неба. Для объективной оценки размеров галактик за их границу условно принимается  определенный уровень поверхностной  яркости, или, как говорят, определенная изофота³ (так называют линию, вдоль которой поверхностная яркость имеет постоянное значение). Часто в качестве такого порогового значения яркости принимается 25 звездная величина с квадратной угловой секунды в фотографической области спектра. Соответствующая ей яркость в десятки раз ниже яркости ночного, ничем не «подсвеченного» неба. Яркость центральных областей галактик может быть в несколько сотен раз выше порогового значения.

Светимость галактик (т.е. полная мощность излучения) меняется в  еще больших пределах, чем их размер – от нескольких миллионов светимостей  Солнца (Lc) у самых маленьких галактик до нескольких сотен миллиардов Lc для галактик-гигантов. Эта величина примерно соответствует общему количеству звезд в галактике или ее полной массе. Светимость галактик такого типа как наша Галактика составляет несколько десятков миллиардов светимостей Солнца. Однако у одной и той же галактики она может сильно различаться в зависимости от диапазона спектра, в котором ведется наблюдение. Поэтому очень важную роль в изучении галактик играют наблюдения в различных интервалах длин волн. Вид галактик неузнаваемо меняется при переходе от одного спектрального диапазона к другому – от радиоволн к гамма-лучам (рис. 5) . Это связано с тем, что основной вклад в излучение галактик на различных длинах волн вносят объекты различной природы. Массы галактик, как и их светимости, также могут различаться на несколько порядков – от значений, характерных для крупных шаровых звездных скоплений (миллионы масс Солнца) до тысячи миллиардов масс Солнца у некоторых эллиптических галактиках.

Помимо звезд с разными  массами, химическим составом и возрастом, каждая галактика содержит разреженную  и слегка намагниченную межзвездную  среду (газ и пыль), пронизываемую  высокоэнергичными частицами (космическими лучами). Относительная масса, приходящаяся на долю межзвездной среды, как и  мощность радиоизлучения, также относятся  к важнейшим наблюдаемым характеристикам  галактик. Полная масса межзвездного вещества сильно меняется от одной  галактики к другой и обычно составляет от нескольких десятых долей процента до 50% суммарной массы звезд (в  редких случаях газ может даже преобладать по массе над звездами). Содержание газа в галактике –  это очень важная характеристика, от которой во многом зависит активность происходящих в галактиках процессов  и, прежде всего, – процесс образования  звезд.

 

 

 

 

 

Глава 5. Звездообразование

 

Звездообразование — крупномасштабный процесс в галактике, при котором  из межзвёздного газа массово начинают формироваться звёзды. Спиральные ветви, общая структура галактики, звёздное население, светимость и химический состав межзвёздной среды — результаты данного процесса. Размер области, охваченной звездообразованием, как правило, не превышает 100 пк. Однако встречаются комплексы со вспышкой звездообразования, называемые сверхассоциациями, размерами сопоставимые с неправильной галактикой . В нашей и нескольких ближайших галактиках возможно непосредственное наблюдение процесса. В таком случае признаками происходящего звездообразования являются:

• наличие звёзд спектральных классов O-B-A и связанных с ними объектов (области HII, вспышки новых и сверхновых звёзд);
• инфракрасное излучение, как от нагретой пыли, так и от самих молодых звёзд;
• радиоизлучение газопылевых дисков вокруг формирующихся и новорождённых звёзд;
• доплеровское расщепление молекулярных линий во вращающемся диске вокруг звёзд;
• доплеровское расщепление молекулярных линий тонких быстрых струй (джетов), вырывающихся из этих дисков (с их полюсов) со скоростью примерно 100 км/с;
• наличие ассоциаций, скоплений и звёздных комплексов с массивными звёздами (массивные звёзды почти всегда рождаются большими группами);
• наличие глобул.

С увеличением расстояния уменьшается и видимый угловой  размер объекта, и, начиная с некоторого момента, разглядеть отдельные объекты  внутри галактики не представляется возможным. Тогда критериями протекающего в далёких галактиках звездообразования служат:

• высокая светимость в эмиссионных линиях, в частности, в Hα;
• повышенная мощность в ультрафиолетовой и голубой части спектра, за которую непосредственно отвечает излучение массивных звёзд;
• повышенное излучение на длинах волн вблизи 8 мкм (ИК диапазон);
• повышенная мощность теплового и синхротронного излучения в радиодиапазоне;
• повышенная мощность рентгеновского излучения, связанная с горячим газом.

В общем виде процесс звездообразования  можно разделить на несколько  этапов: формирование крупных газовых  комплексов (с массой 107 Мʘ), появление  в них гравитационно связанных  молекулярных облаков, гравитационное сжатие наиболее плотных их частей до возникновения звёзд, нагрев газа излучением молодых звёзд и вспышки новых и сверхновых, уход газа. Чаще всего области звездообразования можно найти:

• в ядрах крупных галактик,
• на концах спиральных рукавов,
• на периферии неправильных галактик,
• в наиболее яркой части карликовой галактики.

Звездообразование является саморегулирующимся процессом: после  формирования массивных звёзд и  их короткой жизни происходит ряд  мощных вспышек, уплотняющих и нагревающих  газ. С одной стороны, уплотнение приводит к ускорению сжатия сравнительно густых облачков внутри комплекса, но с другой стороны нагретый газ  начинает покидать область звездообразования, и чем больше его нагревают, тем  быстрее он уходит.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 6. Перерождение галактик

 

«Квазары  – космические объекты чрезвычайно  малых угловых размеров, имеющие, значит, красные смещения линий в  спектрах, что указывает на их большую  удаленность от Солнечной системы, достигающую нескольких тысяч Мпк. Квазары излучают в десятки раз больше энергии, чем самые мощные галактики. Источник их энергии точно не известен⁴».

В свою очередь, всякое насильственное объединение, как известно, носит не естественный, а искусственный характер и потому обладает различной степенью жизнестойкости. Устойчивость легких элементов надежно  гарантирована тем, что их внутриатомное  строение основано на энергетической выгоде возникающих при их образовании  связей между входящими в их состав легчайшими элементами. Для разрушения таких связей требуются значительные внешние усилия. Искусственно созданный  четвертый, наименее плотный, слой атомной  эфирной оболочки, обеспечивающей удержание  легких элементов в составе тяжелых, не только гораздо более уязвим от внешних воздействий, но у целого ряда тяжелых элементов подвержен  неизбежному разрушению и под  влиянием собственных внутриатомных  движений. В результате этого в  недрах ядра галактики начинает скапливаться все большее и большее количество принципиального нового вида вещества, располагающего энергией естественного  радиоактивного распада.

С учетом колоссальной массивности ядра эллиптической  галактики, исчисляемой миллиардами  звездных масс, выделяющаяся при радиоактивном  распаде кинетическая энергия движения продуктов распада (дополнительно  приобретенная веществом за счет переработки потенциальной энергии  того эфира, который вошел в состав четвертого слоя атомных оболочек) оказывается надолго заточенной в его сверхуплотненных недрах. Но всему есть предел. В конце концов, этой избыточной внутренней энергии ядра становится настолько много, что она преодолевает давление внешних слоев и вырывается наружу. Поскольку весьма массивное и весьма компактное ядро по обыкновению обладает стремительным вращением, а сверхплотное и сверхтемпературное вещество ядра находится в плазменном состоянии, вся эта перенасыщенная различными видами энергии конструкция обладает, в том числе и мощнейшим магнитным полем. Под воздействием этого поля выбрасываемая радиоактивной энергией из недр ядра плазма, в составе которой в изобилии содержатся ионы всевозможных химических элементов и свободные электроны, приобретает высокоскоростное движение в двух противоположных направлениях. Так начинается судьбоносное для дальнейшего развития Вселенной перерождение той или иной эллиптической галактики в спиральную. То, что к настоящему времени на долю эллиптических галактик приходится всего лишь 26% всех наблюдаемых во Вселенной галактических миров означает, что практически на три четверти этот процесс уже завершился.

Естественно, что извержение из ряда огромных масс вещества носит взрывной характер и  сопровождается излучением огромного  числа фотонов. Ослепительно вспыхнувшее  мириадами огней компактное ядро галактики – это и есть квазар. Затмевая своей исключительной яркостью мерцающее свечение постаревших  водородно-гелиевых звезд, он производит впечатление самостоятельного, не имеющего отношения к галактике объекта. Современные оценки расстояний до квазаров, производимые из того расчета, что фактически наблюдаемое красное смещение линий спектра исходящих от квазара фотонных излучений вызывается эффектом Доплера, дают потрясающие человеческое воображение результаты: квазары оказываются самыми удаленными от нас объектами и продолжают удаляться с огромными, порою околосветовыми скоростями. Однако, если мы учтем, что квазары (то есть взорвавшиеся ядра галактик) являются чрезвычайно компактными объектами с радиусами в десятые, а возможно и сотые доли парсека и с массами, мало чем отличающимися от массы галактик, и подставим эти величины в формулу V2 = (2MG/R)1/2⁵, то увидим, что для обладания наблюдаемыми красными смещениями квазарам совсем не нужно бежать от нас со скоростью света. Их сверхмощное гравитационное поле и без того обеспечивает такое торможение излучаемых фотонов, что линии спектров этих фотонных излучений претерпевают весьма ощутимые сдвиги. И при этом квазарам совсем не нужно быть на дальних окраинах Вселенной. Они размещены точно так же, как и все остальные галактики, то есть разбросаны там и сям по всему вселенскому пространству.