Разкриване същността на галактиките

Explorations - An introduction to astronomy, Thomas T.Arny, 1996
http://www.n-sky.org

Галактиките представляват необикновено големи облаци, съставени от стотици милиони, а понякога и стотици милиарди звезди. Всяка звезда се движи по своя собствена орбита, удържана в галактиката от сборната гравитационна сила на всички други звезди. Всяка галактика (с изключение на тези, които се сблъскват) е независима и изолирана звездна система.

Ранни наблюдения на галактиките Всички галактики (с изключение на Млечния път) са извънредно отдалечени от Земята като най-близката е на повече от 150 000 св. г. Тъй като галактиките са много отдалечени, тяхната видима яркост не е голяма и само няколко могат да бъдат видяни с просто око. Например, през ясна и тъмна есенна или зимна нощ в северното полукълбо можете да видите М31 - галактиката Андромеда (фиг. 1А) - с просто око. Изглежда като бледо елиптично петно на небето. Ранните наблюдатели, като персийския астроном Ал-Суфи, забелязали този обект и той се появил в ранните звездни карти под името Малкия облак. Ако живеете в южното полукълбо, ще можете лесно да видите с просто око Малкия и Големия Магеланови облаци (фиг. 1В), които са галактики-спътници на Млечния път. Днес на астрономите са познати милиони галактики, а се смята, че видимата Вселена съдържа още десетки милиарди.

g_a
g_b
А: Снимка на М31 - най-близката спирална галактика. В: Снимка на Големия и Малкия Магеланови облаци.

Изучаването на галактиките започнало през 18 век когато френският астроном Шарл Месие случайно открил много галактики докато провеждал търсения за комети. Той забелязал голям брой разсеяни и мъждиви светли петна. За да не бъдат бъркани с комети, Месие съставил каталог на позициите на тези обекти и им приписал номера. Въпреки че много от обектите на Месие сега са идентифицирани като звездни купове или сияещи газови облаци, няколко дузини са галактики. Обектите от каталога на Месие се обозначават с тяхното М (Месие) число, както М31 например.

През 19 век английският астроном сър Уилям Хершел, откривателят на Уран, открил и каталогизирал множество галактики, докато съставял карти на небето. Неговият списък, сега известен като Нов общ каталог (NGC - New General Catalog), дава имена на много галактики като например NGC 1275. Каталогът на Хершел, а и по-новите каталози, съставени от други астрономи, съдържат и обектите, открити от Месие, а в следствие от това някои галактики имат две или дори повече имена. Например М82 и NGC 3034 са една и съща галактика.

Типове галактики
Дори ранните наблюдатели забелязали, че не всички галактики изглеждат еднакво. Лорд Рос открил, че някои имат спирална структура, а други въобще не показвали обособена структура. Разделението станало много по-ясно в по-новите изследвания, особено в тези на Едуин Хъбъл - американски астроном, работещ отначало като студент в Чикагския университет, а по-късно, през 20-те години на 20 век, в обсерваторията Маунт Уилсън. Хъбъл показал, че галактиките могат да бъдат разделени на база тяхната форма на три основни типа: спирални, елиптични и неправилни. Първия тип - спиралните галактики - имат два или повече ръкава, които се извиват откъм центъра. Млечния път вероятно е от този тип, а фигура 2 показва снимки на няколко други подобни галактики.

f
Вторият тип не показва признаци на спирална структура. Тези галактики нямат никакви видими черти и общо взето имат елиптична форма (фиг. 3). Съответно астрономите ги наричат елиптични галактики.

f
Галактиките от третия основен тип нито имат ръкави, нито изглеждат еднородни. Всъщност при тях газът и звездите са разпределени на отделни петна (фиг. 4). Това е причината да ги наричаме неправилни галактики.

f
Спиралните, елиптичните и неправилните галактики се отбелязват съответно със S, E и Irr. В допълнение към тези три основни типа, астрономите различават още два вида галактики, а те са тясно свързани със спиралните. Първия вид са пресечените спирални галактики, чиито ръкави излизат не от ядрото, а от пресичащата го ивица (фиг. 5). Ивицата, пресичаща ядрото дава името на тези галактики, а самите те се отбелязват със SB за да могат да бъдат разграничавани от нормалните спирални галактики. Въпреки че Хъбъл смятал SB галактиките за отделен клас, астрономите днес все повече се убеждават, че те не са отделен вид галактики. Компютърни симулации показват, че повечето дискообразни системи ще образуват пресичаща ивица, ако им се въздейства гравитационно от, да кажем, съседна галактика. Възможно е Млечния път да има слабо изразена пресичаща ивица.

Ивицата се образува в следвие от гравитационно въздействие, което променя орбитите на звездите и ги кара да се съберат, образувайки елиптичната форма, която наричаме пресичаща ивица. Някои модели сочат, че след стотици милиони години орбитите отново се раздалечават, а ивицата се разлага. Следователно можем да твърдим, че ивиците могат да се появяват и изчезват, а обикновените спирални галактики да се превръщат в пресечени и после пак в обикновени.

Хъбъл идентифицирал и друг вид галактики, подобни на спиралните. Те са дискообразни системи, само че без ръкави (фиг. 6) и се наричат галактики тип S0. Хъбъл смятал, че те са нещо средно между системи S и E. В днешни времена, обаче, астрономите смятат S0 системите за обикновени спирални галактики, които са загубили газа си. Това може да се случи ако спирална галактика мине с висока скорост през горещ, но неплътен междугалактичен газ.

Хъбъл извел класификацията си едно стъпало по-горе като потърсил черти, които могат да обяснят голямото разнообразие от галактики. Той забелязал, че и спиралните, и елиптичните галактики могат да се разделят на различни подкласове (фиг. 7), които ако се наредят правилно показват плавен преход от сферични E галактики към по сплескани Е галактики, които преминават в спирални и неправилни. Хъбъл изказал хипотеза, че с възрастта една галактика се променя от тип Е в тип S и накрая става неправилна.

Тази хипотеза изглежда доста правдоподобна ако погледнете камертоновата диаграма, който Хъбъл изготвил (фиг. 8), но сега астрономите знаят, че тя не е правилна. Въпреки това диаграмата все още е полезен начин за организиране на галактическите типове и подкласове, които Хъбъл описва.

Различия в звездното и газовото съдържание на галактиките
Сега астрономите знаят, че спиралните, елиптичните и неправилните галактикати се различават не само по форма, а и по типа звезди, които съдържат. Спиралните галактики например съдържат и млади и стари звезди (населения тип I и II), а елиптичните съдържат основно стари (тип II). Различията в типа звезди, съставляващи S и Е галактиките са разбираеми като вземем в предвид газовото им съдържание. За да образува млади (тип I) звезди, една галактика трябва да съдържа плътни газово-прахови облаци. Около 15% от масата на спиралните системи е под формата на точно такива междузвездни облаци и следователно самите галактики могат лесно да образуват млади звезди в спиралните си ръкави. От друга страна елиптичните галактики съдържат много по-малко междузвездна материя. Всъщност астрономите смятали, че галактиките тип Е изобщо не съдържали междузвездни газ или прах. Скорошни наблюдения, направени с рентгенови телескопи, сочат, че елиптичните галактики съдържат много разреден, но в същото време много горещ (107 К) газ. От такъв газ трудно могат да се образуват звезди и следователно не е изненадващо, че в елиптичните галактики рядко има горещи, млади звезди като тези, които виждаме в дисковете на спиралните системи.

Въпреки че младите горещи звезди са рядкост при елиптичните галактики, те са доста често срещани в неправилните галактики. Irr системите често съдържат голямо количество междузвездна материя, която в някои случаи достига до 50% от масата на самата галактика. Според астрономите, тези галактики са много млади и все още не са иразходили газа си за да образуват звезди.

Освен по изграждащите ги звезди и междузвездна материя, S, E и Irr галактиките се различават по още няколко признака. Да вземем за пример масите и радиусите на галактиките. Няма данни, че всички елиптични галактики са огромни или пък, че всички спирални са малки. По-скоро ще видим, че елиптичните варират по размер. Някои не са много по-големи от кълбовидните звездни купове и съдържат само около 107 слънчеви маси; други пък са чудовищно големи - 10-100 пъти масата на Млечния път. Разликата в размерите на галактиките можете да видите от фигура 9, която показва група галактики, повечето от които са елиптични системи.

Каква част от общия брой галактики съставлява всеки един отделен вид галактика? Дори този въпрос няма ясен отговор. Ако преброим галактикте в близост до Млечния път ще открием, че повечето са неярки и малки Е и Irr системи, съдържащи малък брой звезди. Тези неярки галактики са напълно невидими на големи разстояния, от които се виждат само по-ярките галактики. Ако преброим по-ярките галактики, ще открием, че повчето от тях са спирални, но отншението зависи от това дали наблюдаваме галактики, групирани в куп или по-рядко "населени" области. В първия случай около 60% от членовете са спирални системи, докато във втория броят им нараства до около 80%.

Разнообразието на галактическите форма и съдържание се нуждае от обяснение, и голяма част от астрономическите изследвания, които се провеждат в днешно време, целят да отговорят на въпроса защо галактиките са толкова различни. По-надолу можете се запознаете с някои от предложените теории.

Причината за различните галактични типове
Астрономите все още не са сигурни каква е причината за разнообразието от галактични типове. Първоначално се смятало, че различните типове се образуват в следствие от различната скорост на въртене на галактиката при раждането й. Въртенето може и да играе роля за определянето на типа на галактиката, защото бързовъртящите се обекти, по принцип, се сплескват. Този ефект е отговорен за плоския профил на Слънчевата система и за сплескаността на Земята при полюсите. Като имаме в предвид връзката между сплескването и въртенето е естествено да си зададем въпроса дали същия процес се наблюдава и при галактиките. Дали елиптичните галактики са кръгообразни, защото се въртят бавно, а спиралните плоски, защото се въртят бързо? При измерването на ротационните скорости на галактиките тип Е, астрономите открили, че те се въртят, но бавно. От друга страна дисковете на спиралните галактики се въртят относително бързо в сравнение с Е галактики със сравними размери. Имайки в предвид всичко горе, изглежда, че скоростта на въртене определя дали галактиката ще се превърне в тип Е или тип S. Въпреки всичко обаче, сравнение на ротационните скорости на елиптични галактики с различна степен на сплесканост, сочи, че няма връзка между ротационната скорост и сплескаността или ако има такава връзка, то ефектите от нея са пренебрежително малки. Скоростта на въртене може и да е от значение, но определено има и по важни фактори. Друг тип различия в скорости, например, може да предложи обяснение за различните типове галактики.

Някои компютърни симулации на образуването на галактики сочат, че случайните движения в един колпасиращ газов облак могат драстично да променят крайната форма на галактиката, която се образува от него. Според този модел газовите облаци, в които протичали бурни движения (фиг. 10) се превърнали в елиптични галактики, докато тези, в които случайните движения били слаби се превърнали в спирални.

Илюстрация, показваща как случайните движения могат да причинят образуването на различен тип галактики. Големи движения водят до образуване на Е галактика, докато малки движения водят до образуването на S галактика.

Движенията, дали ротационни, дали случайни, може да са един от факторите, определящи формата на галактиките. Типът звезди (население тип I или население тип II), който галактиките съдържат, може също да се окаже от голямо значение. Спомнете си, че Е системите почти изцяло са изградени от звезди тип II (стари), докато S системите имат и много звезди тип I (млади). Вероятно Е системите образували повечето от звездите си за един сравнително кратък период от време след раждането си, като изразходили почти всичкия си газ. S системите пък образували звездите си по-бавно. Тази разлика може да ни накара да заключим, че скоростта на звездообразуване е от значение за определяне типа на галактиката. Но дали скоростта на звездообразуване определя типа галактика или типа галактика определя скоростта на звездообразуване? Отново астрономите не знаят.

В горната дискусия за факторите, които могат да оказват влияние върху типа на образуваща се галактика не казахме нище за това как се образуват спирални ръкави. Спиралните ръкави може да са се образували с преминаването на плътна газова вълна, която пътува през диска на галактиката, компресирайки газовите облаци и карайки ги да образуват звезди в спирална шарка. Според друг модел на образуване на спирални ръкави, въртенето на галактиката разтегля областите на звездообразуване, превръщайки ги в удължени дъги. Астрономите все още се опитват да разберат кой от моделите е по-вероятното обяснение и дали изобщо някой от тях е правдоподобен.

Галактически сблъсъци и сливания
Според горните хипотези за произхода на типовете галактики, една галактика не променя типа си в хода на съществуването си. През последните десетилетия, обаче, астрономите откриха доказателства, че това не е вярно. Една галактика може да промени типа си в следствие от сблъсък или сливане. С движението си през пространството, галактиките понякога се сблъскват една с друга. Всъщност, при условията на един типичен галактичен куп, повечето галактики ще претърпят няколко сблъсъка по време на съществуването си. По време на такива сблъсъци звездите по същество остават незасегнати. Благодарение на огромните разстояния, които ги разделят, повечето звезди преминават безопасно една покрай друга. Може би само няколко звезди ще се сблъскат пряко. Галактическите сблъсъци много приличат на две шепи пясък, хвърлени една към друга: повечето от песъчинките просто преминават една покрай друга без да се сблъскат. Газът и газовите облаци в галактиките, обаче, ще се сблъскат, а това може да ги компресира достатъчно за да започне огромно по мащаби звездообразуване. Галактиките, при които протича подобен процес са от най-ярките.

По време на сблъсъците орбитите на звездите може драстично да се променят. Гравитационното влияние на една галактика върху друга може да причини изхвърляне на звезди в огромни ярки дъги. Фигура 11 показва компютърна симулация на галактически сблъсък и снимка на две реални галактики, при които сблъсъкът е повече от реален.

Компютърна симулация на две сблъскващи се галактики и снимка на система, при която се наблюдава същия процес.

Галактическите сблъсъци могат да създадат странни форми, както можете да видите от фиг. 12. Ако например малка галактика се сблъска с по-голяма спирална такава, е възможно малката система да пробие дупка в голямата. Астрономите наричат резултата пръстеновидна галактика. По-малката галактика не унищожава звездите от диска на другата галактика. Тя по-скоро прави дупка като променя орбитите на звездите по начин, при който те не минават през централните области на галактиката.