Глава 28. Классификация галактик.

 

В 1784 году наблюдатель комет Мессье составил каталог туманных объектов, видимых в телескопы того времени. Этот каталог был небольшим, и включал только 108 наиболее ярких таких объектов. В 1888 году Дрейер опубликовал значительно больший по объему данных каталог (NewGeneralCatalogue, сокращенно NGC), включавший 7840 туманных объектов. Объекты, входящие в любой известный каталог, обозначаются буквами названия каталога, и номером объекта в каталоге, например, Туманность Андромеды, входящая в каталог Мессье, обозначается М31, а шаровое звездное скопление ω Центавра, входящее в каталог Дрейера, обозначается NGC5139.

При дальнейшем изучении объектов, приведенных в каталоге Мессье, в более сильные телескопы выяснилось, что 29 из них являются рассеянными скоплениями, и 29 – шаровыми скоплениями. Еще 11 объектов оказались действительно газовыми и газо-пылевыми (диффузными) туманностями, входящими в состав нашей Галактики. Природа остальных 39 объектов из каталога Мессье, имеющих спиралевидную или эллиптическую форму, долгое время оставалась невыясненной. Лишь в 1917 году Ричи и Кертис, обнаружили в спиральном объекте NGC224 (М31) появляющиеся и через несколько дней исчезающие яркие точки. Астрономы правильно предположили, что это новые звезды, наблюдающиеся в моменты максимума их блеска. У всех известных новых звезд нашей Галактики в момент максимума блеска абсолютная звездная величина М приблизительно равна -7^m. Если предположить, что она такая же, как и у новых звезд в NGC224, то, измерив видимую звездную величину mэтих звезд, можно найти расстояние до них r. Наблюдаемые mоказались равны приблизительно +16^m,3. Это дает расстояние около 400 000 пс, что в 15 раз больше диаметра Галактики. Значит, NGC224 – внегалактический объект.

 

 

Рис.28/1. Туманность Андромеды (M31, NGC224).

 

По соотношению видимой звездной величины Туманности Андромеды и оцененного до нее расстояния можно вычислить абсолютную звездную величину, а также светимость объекта. Получается, что NGC224 имеет светимость, равную приблизительно 8 миллиардам солнечной. Поскольку мы можем наблюдать далеко не все звезды, входящие в состав нашей Галактики, то можно предположить, что Туманность Андромеды должна содержать примерно столько же звезд, сколько и Млечный Путь, то есть, около 100 миллиардов.

В 1924 – 1926 годах Хаббл, при помощи 2,5-метрового телескопа, при большой экспозиции получил фотографии NGC224, на которых ее спиральные ветви вышли в виде множества слабых светящихся точек – звезд. Как говорят астрономы, туманность была разрешена на звезды. То же самое удалось сделать и для нескольких других туманных объектов. Таким образом, стало ясно, что эти объекты являются звездными системами наподобие нашей Галактики.

Началась новая эпоха в астрономии. Оказалось, что множество туманных объектов, наблюдаемые почти во всех уголках неба – это разнообразные, отличающиеся друг от друга формой, размерами и населенностью звездные системы. Самые слабые из них, еще наблюдаемые в современные телескопы, находятся на расстоянии сотен миллионов парсек. Объем наблюдаемой человечеством Вселенной возрос в тысячи миллиардов раз.

Одной из первых задач, вставшей перед Хабблом, стало построение классификации галактик. Хаббл выбрал самый простой метод классификации – по внешнему виду, и, хотя впоследствии были предложены другие принципы классификации, первоначальная система, введенная Хабблом, по-прежнему остается основой классификации галактик.

 

Хаббл предложил разбить все галактики на три основных вида:

1) эллиптические (обозначаемые E, elliptical)

2) спиральные (обозначаемые S, spiral)

3) неправильные (обозначаемые I, irregular).

 

 

Рис.28/2. Классификация галактик по Хабблу.

 

Эллиптические галактики имеют вид гладких эллипсов или кругов с постепенным уменьшением яркости от центра к периферии. Эти галактики состоят из второго типа звездного населения – они построены из звезд красных и желтых гигантов, красных и желтых карликов и некоторого количества белых звезд не очень высокой светимости. В них нет белых и бело-голубых гигантов, отсутствует пылевая материя. Поэтому внешне эллиптические галактики отличаются друг от друга большей или меньшей степенью сжатия. Хаббл предложил считать степенью сжатия величину отношения разности большой и малой полуосей к большой полуоси (умноженному на 10 для удобства), что можно легко вычислить по имеющимся фотографиям галактики. Если галактика видна в форме круга, то сжатие у нее равно нулю. Если у галактики большая полуось вдвое больше малой, то сжатие равно 5. Если малая полуось много меньше большой, то сжатие будет равно 10. Как выяснилось в результате наблюдений, сильно сжатых эллиптических галактик нет – показатели сжатия 8, 9 и 10 не встречаются вообще. Наиболее сильно сжатые галактики – это Е7.

Рис.28/3. а )NGC4636 типа E0

б)NGC4406 типа E3

в)NGC3115 типа E7

 

Мы наблюдаем галактику в виде эллипса, но ведь галактика – не плоская фигура, а объемное тело. Совпадает ли действительная форма с той, которую мы наблюдаем? Поскольку мы наблюдаем не единственную эллиптическую галактику, а большое количество, естественно предположить, что они обращены к нам разными сторонами. Но в природе известно единственное тело, которое при проекции на плоскость любой своей стороной дает эллипс – это эллипсоид. В механике также доказано, что всякое вращающееся жидкое тело, находящееся под действием только собственных сил притяжения, в равновесном состоянии принимает форму эллипсоида. Это означает, что галактики вращаются, и показатель сжатия тем выше, чем больше скорость вращения и чем меньше плотность системы. Но в таком случае возникает вопрос, не является ли различное наблюдаемое сжатие эллиптических галактик следствием их различной ориентации по отношению к лучу зрения? Если допустить, что все направления осей вращения галактик равновероятны, то на этот вопрос можно дать ответ. Оказалось, что среди эллиптических галактик, входящих в скопления галактик, преобладают показатели истинного сжатия 4,5,6,7 и почти нет слабо сжатых и сферических. А среди эллиптических галактик вне скоплений наоборот, подавляющее большинство со слабым сжатием, или сферические – 1 и 0. Это различие не ограничивается формой – оказалось, что эллиптические галактики в скоплениях – это гигантские галактики, а вне скоплений – карликовые.

 

 

Рис.28/4. NGC4486 типа Е0 – самая массивная из известных галактик.

 

Внешний вид эллиптических галактик говорит о статичности, стационарности.

Спиральные галактики являются, может быть, самыми живописными наблюдаемыми объектами. Внешний вид их, в противовес эллиптическим, говорит о динамичности. Их ветви, выходящие из центрального ядра, указывают на мощное, стремительное движение, имеют большое разнообразие формы рисунка. Несмотря на это разнообразие, Хаббл уловил возможность разбить спиральные галактики на подклассы. Мерой классификации служила степень развития ветвей и размер ядра галактики.

Sa – ветви развиты слабо, или только намечаются, ядра большие, и составляют около полвины наблюдаемого размера всей галактики;

Sb – спиральные ветви заметно развиты, но не имеют богатых разветвлений, ядра меньше, чем у предыдущего подкласса;

Sc – ветви сильно развиты, разделяются на несколько рукавов, ядро маленькое.

 

 

Рис.28/5. NGC 3898 типаSa. Рис.28/6. NGC 488 типаSb.

Рис.28/7. NGC 1232 типа Sc.

 

Все спиральные галактики, изображенные на рисунках, наблюдаются в плане. Как же выглядят спиральные галактики, наблюдаемые с ребра?Различима ли в них спиральная структура и насколько в них можно видеть величину ядра?

 

 

Рис.28/8. NGC 4594 типа Sa. («Сомбреро»). Рис.28/9. NGC5465 типа Sb.

Рис.28/10. NGC 4244 типа Sc.

 

У всех трех спиральных галактик, видимых с ребра, наблюдается темная полоса, как бы разделяющая галактику на две части (у NGC 4244 она выражена слабо). Эти темные полосы являются свидетельством общности наблюдаемых с ребра спиральных галактик и нашей звездной системы. Ведь в Млечном Пути около плоскости симметрии сосредоточена темная пылевая материя. Внегалактический наблюдатель, рассматривая нашу Галактику с ребра, должен точно так же видеть темную полосу, разделяющую ее на две части. Это означает, что в спиральных галактиках, как в Млечном Пути, имеется темная пылевая материя, так же сосредоточенная около плоскости симметрии.

Если вычислить показатель сжатия наблюдаемых с ребра спиральных галактик, то его значения получаются всегда больше 7. У спиралей Sa он близок к 8, у Sb - от 8,5 до 9, а у Sc – больше 9. В то же время, как говорилось выше, у эллиптических галактик этот показатель не бывает больше 7.

Это очень важный наблюдательный факт. Он показывает, что в слабо сжатых системах спиральная структура не может появиться. Однако, уверенно доказано, что сильно сжатая система в ходе эволюции не может стать слабо сжатой. Невозможен и противоположный переход. Значит, эллиптические галактики не могут стать спиральными, и наоборот. В таком случае, эти два типа галактик не представляют собой различные стадии общего эволюционного процесса, а являются примером разных эволюционных путей, вызванных различным сжатием системы в начале ее существования. Степень сжатия, как было показано выше, обусловлена разной скоростью вращения систем. Таким образом, можно думать, что эволюционный путь галактики определяется той скоростью вращения, которую она получила в момент ее формирования. Если принять эту точку зрения, нужно ответить и на вопрос о том, почему в эллиптических галактиках отсутствует темная пылевая материя, а в спиральных она имеется. Ответ может быть таким. В сильно сжатых системах областью низких значений потенциальной энергии является вся плоскость симметрии, и именно сюда оседает диффузная материя, наблюдаемая нами как темная полоса вдоль оси симметрии. В слабо сжатых системах областью низких значений потенциальной энергии является крайне ограниченная по размерам центральная область, куда и оседают частицы газа и пыли. Можно думать, что диффузная материя в эллиптических галактиках, скапливаясь в очень малой центральной области, образует там малое по размерам плотное облако, которое недоступно нам для наблюдений.

Неправильные галактики не имеют правильной формы и не обнаруживают никаких закономерностей структуры.

Почему у одних галактик форма правильная, а у других – неправильная? Если в момент своего формирования галактика имела неправильную форму, то по истечении определенного времени в результате движений звезд в общем силовом поле и их перемешивания форма галактики станет симметричной, правильной. Время, необходимое для принятия правильной формы, зависит от средней плотности материи в системе. Чем плотнее система, тем быстрее идет процесс принятия ею правильной формы. Оценка примерной плотности материи в нашей Галактике (10^-24 г/см³) дает примерное время порядка 1 миллиарда лет, что много меньше времени существования Галактики, потому она уже и успела принять оформленное строение. Исходя из вышесказанного, становится понятно, что может быть две причины того, что некоторая система (галактика) не имеет для наблюдателя правильной формы.

1)низкая плотность материи в системе, или недостаточное время существования, чтобы галактика приняла правильную форму

2)искажение бывшей правильной формы вследствие столкновения с другой галактикой.

По-видимому, оба эти случая встречаются в мире галактик, и именно это обусловило их разделение на два подтипа, выделенные еще Хабблом.

1) подтип II (первый подтип) характеризуется сравнительно высокой поверхностной яркостью и плотностью неправильной структуры. Французский астроном Вокулер обнаружил некоторые признаки разрушенной спиральной структуры в Магеллановых облаках – двух ближайших к Млечному Пути неправильных галактиках, наблюдаемых в Южном полушарии. Кроме того, Вокулер заметил, что галактики этого подтипа очень часто встречаются парами. Вероятнее всего, эти галактики когда-то были правильными, но в результате взаимодействия с другой, находящейся (или находившейся) близко галактикой форма исказилась, а если имелась спиральная структура, она разрушилась. Парное существование таких галактик подтверждает мнение Вокулера. Существование одиночных галактик такого типа не противоречит этой гипотезе, его легко объяснить достаточно большим временем, прошедшим с момента столкновения, так что галактики успели разойтись на большое расстояние, но для того, чтобы снова принять правильную форму, времени еще прошло недостаточно.

2) подтип III (второй подтип) характеризуется очень низкой поверхностной яркостью. Эта черта выделяет их из галактик всех других типов. В то же время именно это их свойство препятствует уверенному обнаружению галактик такого подтипа путем оптических наблюдений, возможности сделать пригодные для изучения фотографии. Если при обычных для галактик линейных размерах поверхностная яркость галактики очень низка, это означает крайне малую плотность материи. Поэтому и переход к правильной форме должен в таких системах длиться намного дольше.

Рис.28/11. слева – Большое Магелланово Облако, справа – Малое Магелланово Облако.

 

Рис.28/12. слева – NGC 5204 подтипа II, справа – система в Скульпторе подтипа III.

 

 

Итак, вращающееся жидкое тело под действием внутренних сил в равновесном состоянии принимает форму эллипсоида. При определенных соотношениях между плотностью вещества и угловой скоростью вращения эллипсоид может стать вытянутым, напоминающим сигару или даже иглу. Оказалось, что среди наблюдаемых галактик есть подтверждения этому. Прежде всего, это явление перемычки (bar) в некоторых спиральных галактиках, а также иглообразные галактики. Перемычка в некоторых случая составляет большую часть спиральной галактики, ветви которой еще мало развиты.Для обозначения спиральной галактики с перемычкой используют букву b, например Sba.

 

 

Рис.28/13. Спиральные галактики с перемычкой. Слева NGC1300, справа – NGC1365.

 

Рис.28/14 Сигарообразная галактика NGC2685 с кольцевой структурой и внутренним телом.

 

 

Так же, как и звезды, галактики различаются по размерам, светимости и массе.

Только три галактики можно наблюдать невооруженным глазом благодаря их высокой светимости – Туманность Андромеды (М31, NGC224), Большое и Малое Магеллановы Облака. Большое и Малое Магеллановы Облака находятся на южном небе. Впервые их описал участник кругосветной экспедиции Магеллана, Антонио Пигафетта, который обратил внимание, что даже днем в небе видны два неподвижных сияющих облака. Туманность Андромеды видна как туманное пятнышко в созвездии Андромеды в ясную безлунную ночь. Уже следующая по светимости галактика – Туманность Треугольника – должна наблюдаться в бинокль.

 

Рис.28/15. Галактика М33 – Туманность Треугольника.

 

Важным вопросом является скорость движения галактик. Существует две компоненты скорости – вдоль луча зрения и поперек луча зрения. Скорость галактики вдоль луча зрения – лучевая скорость – измеряется по смещению линий в ее спектре, и показывает, а том числе, направление движения галактики – приближается ли она к нам, или удаляется. Но полной картины движения галактик мы, к сожалению, не можем себе представить, потому что для нас остается совершенно неизвестной вторая составляющая – скорость движения галактик поперек луча зрения. Можно, например, подсчитать, что если у ближайшей к нам галактики – Большого Магелланова Облака – скорость поперек луча зрения составляла бы 100 км/сек, то на расстоянии 46 кпс она должна была бы вызвать видимое смещение в 0”,0005 в год. Эта величина совершенно неуловима для современных средств наблюдений и исследований.

Как уже было сказано, Большое и Малое Магеллановы облака, скорее всего, являются галактиками-спутниками Млечного Пути. Радиоисследования выявили, что Млечный Путь и Большое Магелланово Облако связаны друг с другом водородным мостом, а оба Магеллановых Облака погружены в общую водородную оболочку. Поэтому можно сказать, что это – тройная система, тройная галактика. Если внимательно посмотреть на фотографию Туманности Андромеды (рис. 28/1), то можно увидеть яркое овальное пятнышко у нижней ее границы. Это карликовая галактика-спутник. Наличие спутников, мостов материи встречается в мире галактик достаточно часто.

 

Рис.28/17. Галактика NGC5194 в Гончих Псах, и ее спутник, NGC5195.

 

 

Мы видим, что все известные нам космические объекты вращаются – Солнце, планеты, включая и Землю, и их спутники. Вращаются ли галактики? Если рассмотреть физические законы, то невращающаяся звездная система по истечении некоторого времени должна приобрести форму шара. Такой вывод подтверждается на примере шаровых звездных скоплений, которые на вращаются. Если же звездная система сплюснута, сжата, то это означает, что она вращается. Следовательно, должны вращаться все спиральные галактики. Должны вращаться и эллиптические галактики, за исключением тех из них, которые шарообразны. Вращение происходит вокруг оси, которая перпендикулярна к главной плоскости симметрии. Галактика сжата вдоль оси своего вращения. Как обнаружить вращение галактик? Впервые вращение галактик обнаружил американский астроном Слайфер, по наклону линий спектра. Изучение этого вопроса показало, что ядро галактики вращается как твердое тело, а это значит, что плотность материи в ядре должна быть весьма высока. Измерение скорости вращения разных галактик показало, что периоды обращения галактических ядер увеличиваются от 2,8 миллиона лет до 400 миллионов лет.

 

Рис.28/18. Галактика NGC411, тип S0, с наименьшим известным периодом обращения ядра (2,8 млн. лет)

 

 

Если присмотреться к рисунку, то видна разница между NGC411 и эллиптическими галактиками – четко видна граница между ослепительно ярким ядром и окружающим его гало. Однако, признаков спиральной структуры не наблюдается. Тем не менее, такой тип галактик выделили в отдельный тип S0.

 

 

Рис.28/19. Галактика NGC4559 типа Sc, с наибольшим известным периодом обращения ядра (400 млн. лет).

 

Американские астрономы супруги Бербиджи произвели измерения скоростей движения разных точек галактики NGC5055, построив график зависимости скоростей от расстояния до центра галактики.

 

 

 

Рис.28/20. Кривая скоростей галактики NGC5055.

 

Мы видим, что ядро галактики действительно вращается, как твердое тело, поскольку график имеет вид прямой. Но по мере удаления от ядра, кривая отклоняется от прямой. Это означает, что угловая скорость вращения начинает убывать по мере удаления от ядра. Загибание верхнего и нижнего концов кривой может говорить о том, что на определенном, достаточно большом расстоянии от центра галактики, постепенно будет приближаться к нулю.

Следующим важным вопросом стал вопрос о направлении вращения галактик – концами спиральных ветвей вперед, или наоборот, назад? Для решения этого вопроса были применены различные методы исследований и проведено большое количество расчетов.

Для решения этой задачи необходимо было выбрать объект, удовлетворяющий следующим условиям:

1)угол наклона к плоскости зрения от 15⁰ до 30⁰;

2)наличие определяемых спиральных ветвей;

3)наличие достаточного видимого количества темной материи;

4)разрешение спиральных ветвей на отчетливо видимые звездные сгустки.

 

 

Рис.28/21. Галактика NGC7331, на примере которой была решена проблема направления вращения спиральных ветвей.

 

 

В настоящее время подтверждается гипотеза о закручивании галактик – галактики вращаются концами спиральных ветвей назад.