Происхождение и развитие галактик и звезд

Процесс образования звезд  из межзвездной газово-пылевой среды  происходил в нашей Галактике  непрерывно. Он происходит и сейчас.

Все же в процессе эволюции звезда возвращает в межзвездное  пространство значительную часть всей массы. Из этого газа будет образовываться более молодые звезды, которые  в свою очередь так же будут  эволюционировать описанным образом.

Взгляды различных  ученых на процессы рождения и развития галактик.

К проблеме эволюции галактик ученые начали серьезно подходить в  середине 40х годов. Эти годы ознаменовались рядом важных открытий в звездной астрономии. Удалось выяснить, что  среди звездных скоплений, рассеянных и шаровых, имеются молодые и  старые, и даже оценить их возраст.

Поэтому путь к раскрытию  хода эволюции галактик, казалась, намечен  сам собой. Нужно было произвести своеобразную перепись населения в  галактиках разных типов и сравнить результаты. В каких галактиках: эллиптических или спиральных, в  каких классах галактик преобладают  более молодые или более старые звезды такое исследование дало бы ясное указание на направление эволюции галактик, позволило бы выяснить эволюционный смысл классификации Хаббла.

Но прежде надо было выяснить численное соотношение между  разными типами галактик. Непосредственное изучение фотографий полученные на обсерватории Маунт Вилсон, позволило Хабблу получить следующие результаты эллиптические - 23%, спиральные 59%, спиральные с перемычкой 15%, неправильные 3%.

Однако действительное соотношение  численности галактик разных типов  оказалось иным. В 1948 г. Московский астроном Ю.И.Ефремов обработал данные каталога галактик Шепли и Эймс и пришел к следующим выводам: эллиптические галактики в среднем на 4 звездные величины слабее спиральных по абсолютной величине. Среди них много галактик карликов. Если учесть это обстоятельство и сделать пересчет количества галактик в единице объема, то окажется, что эллиптические галактики примерно в 100 раз больше чем спиральные.

И так, большая часть спиральных галактик оказалась галактики гиганты, большинство эллиптических галактик галактики карлики. Конечно, среди  тех и других существовал некий  разброс в размещении, имелись  и эллиптические галактики гиганты, но в среднем было именно так.

В 1947 году Х.Шепли обратил внимание на то, что количество ярких сверхгигантов постепенно убывает по мере перехода от неправильных галактик к спиральным, а затем к эллиптическим. Спиралях класса Sа, замечает Шепли, встречаются лишь очень мало звезд большой светимости, а в эллиптических галактиках они практически отсутствуют. Получалось, что молодыми являлись именно неправильные галактики и спирали класса Sс сильно разветвленными ветвями, спирали класса Sа и эллиптические галактики находились на более поздней стадии развития. Шепли тогда же высказал мысль, что переход галактик из одного класса в другой должен был занять громадные сроки и совсем не обязательно имел место. Возможно, что галактики образовались все такими какими мы их наблюдаем, а потом лишь медленно эволюционировали в направлении сглаживания и округления их форм.

Х. Шепли обратил внимание еще на одно важное обстоятельство. Уже давно было известно существование  двойных галактик это не случайные  совпадения положений, не могли они  быть и результатом захвата одной  галактики другой. И вот не редко  в этих парах галактики существовали спиральные с эллиптическими. Но галактические пары, очевидно, вместе и возникли. Можно ли в этом случае допустить, что они прошли существенно разный путь развития.

В 1949 году советский астроном профессор Б. В. Кукаркин опубликовал важную работу Исследование строения и развития звездных систем на основе изучения переменных звезд . В ней были и новые установленные соотношения, и их глубокий теоретический анализ.

В своей работе Кукаркин обращал внимание на давно обнаруженные, но часто забываемые обстоятельства существования не только пары, но и  скопления галактик. Между тем  возраст скопления галактик, судя по данным небесной механики, не может  превышать 1012 лет. (Здесь Кукаркин явно отдавал дань длинной школе развития звездных систем; в действительности этот предел гораздо меньше.

Таким образом, получалось, что практически одновременно образовались галактики разных форм. Значит, переход  каждой галактики за время ее существования  из одного типа в другой совсем не обязателен.

К концу сороковых и  началу пятидесятых годов в космогонии галактик сложилось несколько направлений.

Представители одного из них  пытались построить новую гипотезу образования галактик из каких то первичных, до галактических форм материи. Так Вейзеккер разработал теорию возникновения галактик из вращающейся массы, в которой значительную роль играла турбулентность. По его теории эллиптические галактики находились на самой поздней, а неправильные на самой ранней стадии развитии. Но Вейзеккер ввел существенные уточнение: он показал что в случае турбулентного развития газовых масс в галактике шкала времени такого развития пропорциональна размерам галактик. По этому карликовые эллиптические галактики хотя и находятся на более поздней стадии развития, но могут быть моложе по возрасту, чем гигантские спиральные. Это позволяло устранить возрождение, связанное с тем, что в скоплениях встречаются галактики всех типов. Но тогда должна была существовать зависимость между размерами и стадией эволюции галактик в скоплениях, то есть самые маленькие галактики там должны быть непременно эллиптическими, средние спиральными, а большие неправильными. И хотя между эллиптическими и спиральными галактиками такое соотношение размеров выполнялось, неправильные галактики, будучи меньше спиральных, явно не укладывались в схему Вейзеккера.

Наконец, не согласовывался с этой гипотезой тот факт, что  в эллиптических галактиках преобладают  старые звезды ( в абсолютной шкале времени). Значит, эллиптические галактики должны быть не только относительно, но и абсолютно старше спиральных. А как же быть с галактиками в скоплениях? Предложение, что эллиптические галактики образовывались раньше, а спиральные возникали в том же скоплении потом, слишком искусственно. К тому же данные о парных галактиках этому противоречат.

Выход из положения наметился  благодаря работам В. А. Амбарцумяна  и его школы, показавшим, что звездообразование  в нашей, а значит и в других галактиках, продолжается в наше время. Поэтому спиральные и неправильные галактики могут изобиловать молодыми звездами из населения I типа не потому, что эти галактики сами молоды, а потому, что в них имеются условия для звездообразования, тогда как в эллиптических галактиках они почему-либо отсутствуют.

В явной связи с этим стоит еще один существенный факт, на который обратил внимание Б. В. Кукаркин в уже упомянутой работе. Н и в о д н о й эллиптической  галактике, даже наиболее сжатой (Е7), не обнаружено сконцентрированного к экваториальной плоскости межзвездного диффузного вещества. Обнаруженные в них диффузные включения концентрируются к центру этих галактик. Наоборот, все спиральные галактики богаты сконцентрированным к экваториальной плоскости межзвездным диффузным веществом, которое особенно четко заметно, когда галактика видна с ребра. Об этом же свидетельствуют спектральные наблюдения: линии излучения, принадлежащие межзвездному галактическому газу, обнаружены у 80-90% спиральных галактик и только у 10-20% эллиптических. Правда, не надо забывать, что для образования линий излучения нужен не только газ, но и источник возбуждения свечения, то есть горячие сверхгиганты, а их-то в эллиптических галактиках не хватает.

Приведенный факт, наряду с  работами академика Г. А. Шайна и других ученых по изучению связи молодых звезд с диффузными туманностями, побудил в 1951 году. А. И. Лебединского и Л. Э. Гуревича заняться разработкой новой гипотезы образования галактик из межгалактического газа. Их работа была закончена в 1954 году.

А. И. Лебединский, которому принадлежит основная идея гипотезы, исходил из следующих основных предположений:

Галактики образовались из разреженного диффузного вещества, заполнявшего (и заполняющего) Метагалактику.

Галактики возникали не одновременно, так что некоторые из них образовывались, когда другие уже существовали.

Условия в метагалактическом  пространстве в период формирования галактик мало отличались от современных.

Ту массу газа, из которой  образовалась наша (или какая-либо другая) Галактика, А. И. Лебединский назвал п р о т о г а л а к т и к о й . Он полагал, что до начала сжатия состояние протогалактики было квазистатическим, то есть почти неизменным. Потом какие-то постепенные количественные изменения состояния протогалактики (например, увеличение плотности) привели к тому, что она начала сжиматься. Этому могли способствовать и потери энергии молекул газа при соударении с твердыми пылинками.

Дальше сжатие протогалактики происходит почти по Джинсу: первоначально сферическая туманность вращается, а сжимаясь, начинает вращаться все быстрее, что приводит к ее уплощению, притом ничем не ограниченному. Но это вовсе не эллиптическая туманность наоборот, пока в протогалактике не возникнут звезды, она не может излучать, и мы не можем ее заметить.

Но вот на некоторой  стадии сжатия и уплощения в протогалактике возникают сгущения, сначала большие, в тысячи световых лет диаметром, потом все более и более мелкие. Самые большие дадут потом начало звездным облакам, меньшие звездным скоплениям, еще меньшие звездам. Образование звезд происходит путем гравитационной конденсации, механизм который был уже описан в главе I I I. Звезды появляются в наиболее уплощенных галактиках в спиральных. Спиральные ветви возникают потому, что в сильно уплощенных системах это энергетически выгодно (то есть не требует затраты энергии). Наоборот, при малом уплощении (как у эллиптических галактик, даже класса Е7) ни формирование спиралей, ни образование звездных облаков не возможны.

Но вот образовалось первое поколение звезд, свет горячих сверхгигантов  возбудили свечение газа протогалактика превратилась в галактику, стала наблюдаемой. Между тем звездообразование продолжается, галактика живет и эволюционирует. Как же именно это происходит?

Теорию дальнейшей эволюции молодой спиральной галактики разработал Л. Э. Гуревич. Он доказал математически, что с образованием звезд в  галактике начинается перераспределение  момента количества движения, который  выносится с небольшими массами  наружу. Система разделяется на центральную  часть, ядро, и периферическую часть, сильно сплющенную. Дальше гравитационные взаимодействия звезд и звездных скоплений приводят к постепенному росту отклонения их движений от круговых и к раскачке их в направлении, перпендикулярном экватору галактики. Галактика продолжает сжиматься в направлении ее радиусов, но расширяется вдоль оси. Сплющенность ее уменьшается. Происходит разбрасывание звезд из центральной части галактики во все стороны- образуется сферическая подсистема. А в плоской подсистеме продолжается образование молодых звезд из диффузной материи. Вновь образовавшиеся звезды со временем тоже уйдут из галактической плоскости. Гравитационные взаимодействия разрушат звездные скопления и ассоциации, потом распадутся звездные облака и спиральные ветви. Галактика превратится в эллиптическую. Ввиду исчерпания диффузной материи звездообразование прекратится.

Теория Л. Э. Гуревича объяснила  и многие другие проблемы, как, например, образование межзвездных магнитных  полей и полей около звезд, процессы ускорения заряженных частиц, образование сложных элементов.

Космогоническая концепция  А. И. Лебединского и Л. Э. Гуревича явилась  важным этапом в развитии космогонии галактики. Конечно, и в ней были свои слабые стороны. Во-первых, в ней  постулировалось существование  никем не наблюдавшихся (ни раньше, ни потом) протогалактик. Во-вторых, авторы гипотезы не дали объяснения спиральной структуры галактик, ограничившись замечанием об энергетической выгодности этой структуры. Обсуждение этого вопроса А. И. Лебединский обещал провести во второй части работы. Увы, ни он, не Л. Э. Гуревич так и не сделали этого, и вторая часть работы не была опубликована. Постигла ли авторов теории неудача в их попытке рассмотреть образование спиралей, или их отвлекли другие исследования, - нам не известно.

Работу над этой проблемой  продолжил в 1958 году ленинградский  теоретик - звездник Т. А. Агекян. Изучив эволюцию вращающихся систем взаимно притягивающихся тел, имеющих форму фигур равновесия, Т. А. Агекян учел возможность их диссипации, то есть покидания системы отдельными ее членами (звездами).

Современные представления  о процессах развития и происхождения  галактик.

В наше время имеются уже  довольно хорошо разработанные модели превращения огромного облака газа сначала в протогалактику, а затем и в галактику. Начнем с самого начала.

Во время эры излучения  продолжалось стремительное расширение космической материи, состоящей  из фотонов, среди которых встречались  свободные протоны или электроны  и крайне редко альфа частицы. (Не надо забывать, что фотонов было в миллиард раз больше чем протонов и электронов). В период эры излучения  протоны и электроны в основном оставались без изменений, уменьшалась  только их скорость. С фотонами дело обстояло намного сложнее. Хотя скорость их осталась прежней, в течении эры излучения гамма фотоны постепенно превращались в фотоны рентгеновские, ультрафиолетовые и фотоны света. Вещество и фотоны к концу эры остыли уже настолько, что каждому из протонов мог, присоединится один электрон. При этом происходило излучение одного ультрафиолетового фотона (или же нескольких фотонов света) и, таким образом, возник атом водорода. Это была первая система частиц во Вселенной.

С возникновением атомов водорода начинается звездная эра эра частиц, точнее говоря, эра протонов и электронов.

Вселенная вступает в звездную эру в форме водородного газа с огромным количеством световых и ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ расширялся в различных частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была так же и его плотность. Он образовывал огромные сгустки, во много  миллионов световых лет. Масса таких  космических водородных сгустков была в сотни тысяч, а то и в миллионы раз больше, чем масса нашей  теперешней Галактики. Расширение газа внутри сгустков шло медленнее, чем  расширение разреженного водорода между  самими сгущениями. Позднее из отдельных  участков с помощью собственного притяжения образовались сверхгалактики и скопления галактик. Итак, крупнейшие структурные единицы Вселенной - сверхгалактики - являются результатом  неравномерного распределения водорода, которое происходило на ранних этапах истории Вселенной.

Рождение галактик.

Колоссальные водородные сгущения зародыш сверх галактики  и скоплений галактик  медленно вращались. Внутри их образовывались вихри, похожие на водовороты. Их диаметр  достигал примерно ста тысяч световых лет. Мы называем эти системы протогалактиками, то есть зародыш галактик. Несмотря на свои невероятные размеры, вихри протогалактик были всего лишь ничтожной частью сверхгалактик и по размеру не превышали одну тысячную сверхгалактики. Сила гравитации образовывала из этих вихрей системы звезд, которые мы называем галактиками. Некоторые из галактик до сих пор напоминают нам гигантское завихрение.