Существует два основных направления исследований того, как сформировался и эволюционирует окружающий нас мир звездных островов – галактик, в одной из которых мы живем

FAQ: Эволюция галактик

Фактов о формировании, различиях и возрасте звездных островов

Существует два основных направления исследований того, как сформировался и эволюционирует окружающий нас мир звездных островов – галактик, в одной из которых мы живем.

Первое направление – это изучение звездного и газового состава галактик. Возьмем самое очевидное. Звезды рождаются из газа, поэтому со временем количество газа в галактиках становится меньше, а звезд – больше. Этот процесс необратим, поскольку только часть вещества звезд вновь возвращается в межзвездную среду. По имеющимся оценкам, во всей нашей гигантской Галактике за миллион лет рождается всего несколько миллионов звезд. Это в несколько раз меньше, чем в среднем за всю её долгую историю. Сейчас в галактиках такого типа, как наша Галактика, как правило, всего несколько процентов массы приходится на газ, а остальное – на звезды и на так называемую темную материю. По относительным массам звезд и газа, а также по их химическому составу можно судить о том, какой эволюционный путь прошла та или иная галактика.

W.Keel. Evolution of galaxies. www.astr.ua.edu/keel/galaxies/galevolve.html

Существует второй путь, более оригинальный. Наблюдая далекие объекты, астрономыимеют возможность заглядывать в глубокое прошлое. Поскольку электромагнитные волны имеют ограниченную скорость (300000 км/сек), для нас объекты на небе выглядят такими, какими они были в момент излучения того света, который дошел до Земли. Сравнительно близкие галактики, например, Туманность Андромеды, находятся на расстоянии нескольких миллионов световых лет. Миллионы лет для галактик – это ничтожная величина, они практически не меняются за это время. Но если мы наблюдаем очень далекие галактики, то ситуация иная. Мы можем видеть галактики на миллиарды лет в прошлом. Рекордно далекая галактика, найденная, кстати, совсем недавно с помощью космических обсерваторий «Хаббл» и «Спитцер», наблюдается такой, какой она была всего 200-300 миллионов лет после начала своего формирования, или спустя всего полмиллиарда лет после начала расширения Вселенной, в то время как современный возраст галактик за редкими исключениями превышает 10 миллиардов лет. Сравнивая близкие галактики с далекими, мы видим, как меняется весь мир галактик, вся Вселенная. Оказалось, что галактики-младенцы на очень больших расстояниях имеют в среднем значительно меньшие размеры, чем современные (они еще не выросли), содержат большое количество газа и молодых звезд, и многие из них еще не пришли в спокойное, стационарное состояние.

Галактики медленно изменяются. Со временем уменьшается количество газа, все реже рождаются в них звезды. Но эта эволюцияпроисходит с разной скоростью. Некоторые из галактик давно полностью сформировались и сейчас представляют собой медленно стареющие звездные системы. Среди них преобладают так называемые эллиптические галактики. Но многие галактики сохранили свою активность, потому что они более экономно расходовали газ, и к таким относится, например, наша собственная Галактика.

А.В.Засов, О.К.Сильченко. Диски галактик и их эволюция. Успехи физических наук, т.180, N4, 434-439, 2010.

Параллельно со старением галактик идет процесс увеличения количества тяжелых химических элементов в звездах и газе, потому что практически все атомы тяжелее гелия, в том числе и те, из которых состоим мы с вами, возникли в свое время в недрах звезд, и только при их разрушении они попали в межзвездную среду, из которой рождаются новые поколения звезд. Это изменение химического состава со временем подтверждается прямыми наблюдениями. Уже давно известно, что наиболее старые звезды нашей Галактики содержат во много раз меньше элементов тяжелее гелия, чем звезды, возникшие ближе к нашему времени. Мало тяжелых элементов, как и ожидалось, оказалось и в тех галактиках, которые мы наблюдаем в эпоху их ранней молодости.

А.М.Черепащук, А.Д.Чернин. Горизонты Вселенной. Изд-во СО РАН, 2005 г.

Важно то, что галактики эволюционируют не как изолированные объекты. На галактики падает межгалактический газ. Они могут сталкиваться между собой, сливаться, поглощать друг друга, менять свою структуру. Правда, в каждом случае мы видим эти процессы не в динамике, а как стоп-кадры: из-за больших пространственных масштабов процессы сближения галактик, их деформации или разрушения занимают сотни миллионов лет. Однако существуют методы точных измерений скоростей газа и звезд, которые позволяет воссоздать картину бурного движения вещества, понять, с чем оно связано, и смоделировать происходящие процессы.

Пожалуй, наиболее важное открытие последних десятилетий заключается в том, что существует предел возраста наблюдаемых галактик: большая часть из них начала формироваться примерно в одну эпоху, около 13.5 млрд лет назад. Значит, было такое время, когда ни галактик, ни звезд природа просто не знала. В невообразимо далеком будущем звезды также перестанут существовать.

Wei Zheng, Marc Postman et al . A magnified young galaxy from about 500 million years after the Big BangNature, 489, 406-408, 2012

Начало жизни каждой галактики – это бурное рождение первого поколения звезд из первоначально разреженного газа, который сжимается в гравитационном поле темной материи. За 1-2 млрд лет рождается большая часть звезд, которые вообще будут существовать в данной галактике. На этом раннем этапе массивные галактики растут за счет поглощения окружающей материи, формируются их газо-звездные диски, а чуть позднее в массивных галактиках начинают на короткое (по галактическим меркам) время вспыхивать активные ядра. Следующий этап эволюции – это медленное «взросление», но оно не всегда происходит плавно, и может сопровождаться резкими изменениями свойств галактик благодаря различным нестационарным процессам, связанным, например, с мощной вспышкой активности ядра, со сближением с соседними галактиками или с их поглощением, с возросшим темпом звездообразования. «Пик» подобной активности галактик наблюдается на таком расстоянии от нас, которому соответствует время около 10 миллиардов лет в прошлое. Начиная с этой эпохи, с течением времени меньше становится объектов с активными ядрами, больше – галактик, где почти прекратилось звездообразование.

Новая техника наблюдений и новые крупные телескопы, развитие компьютерных методов обработки наблюдений и численного моделирования – благодаря всему этому расширились наши представления о галактиках и о тех физических процессах, которые в них наблюдаются. Однако не уменьшилось, а скорее увеличилось количество проблем, требующих решения. К примеру, еще нет четкого понимания физической картины рождения галактик, и можно лишь предполагать, по каким причинам эволюция галактик пошла разными путями. Нет ясности и в вопросе о том, как сформировались сверхмассивные черные дыры в динамическом центре галактик за первые один-два миллиарда лет, как смогли возникнуть и не разрушиться гигантские по размеру звездные диски, или, например, почему за миллиарды лет спиральные галактики так и не потеряли свою спиральную структуру. Этими проблемами сейчас активно занимаются исследователи звездных островов.

Анатолий Засов, доктор физико-математических наук, профессор кафедры астрофизики и звездной астрономии физического факультета МГУ, заведующий отделом Внегалактической астрономии ГАИШ МГУ