ОБРАЗОВАНИЕ ГАЛАКТИК

Получив представление о том, как образовались самые крупные скопления галактик, рассмотрим, как образовались сами галактики. С процессом их образования тесно связано их вращение. Известно, что практически все галактики, независимо от своей формы, вращаются, хотя характер этого вращения различен. Наиболее примечательны в этом смысле спиральные галактики. Диски этих галактик вращаются со скоростью, при которой возникающая центробежная сила уравновешивается силами притяжения галактики. Более быстрое вращение диска невозможно, он под действием центробежных сил разлетелся бы на отдельные звезды. Спиральная галактика кроме диска состоит и из сферической подсистемы, которая вращается в несколько раз медленнее.

Период вращения спиральных галактик находится в пределах от 30 миллионов до миллиарда лет (наиболее часто, около 300 миллионов лет). Таким образом, за время своего существования, измеряемого 10 миллиардами лет, они успели совершить всего несколько десятков оборотов. Эллиптические и неправильные галактики, которые в сумме составляют около одной третьей всех спиральных галактик, вращаются со значительно меньшими скоростями.

Рождение вихрей, которые в конце концов проявляют себя во вращении галактик, происходит на фронтах ударных волн, поскольку там имеются разрывы в скорости, плотности и давлении среды. Вихри рождаются в том случае, если на фронт ударной волны набегает газ, в котором имеются возмущения, то есть неоднородности плотности (сгущения или разрежения). При этом образуются вихри, которые соизмеримы с этими сгустками. Если массы этих сгустков сравнимы с массами галактик, то из них в конце концов и могут образоваться галактики. Но прежде в результате уплотнения сгустков образуются протогалактики. Вращение протогалактических сгустков рождается при прохождении сгустка через фронт ударной волны. Завихренность, кроме того, возникает и при распространении возмущений (безвихревых) в слое между ударными фронтами. Это происходит из-за неоднородности в распределении плотности и температуры вещества слоя, если движение направлено под углом к плоскому слою.

Таким образом, в газовом протоскоплении возникают и запутанные вихревые движения. Поэтому в метагалактической среде образуются слои с турбулентностью, то есть с внутренними вихревыми, вращательными движениями. В этих слоях газ очень горячий и сильно сжат. Каждый такой вихрь может охватывать массу, сравнимую с массой отдельной галактики. В дальнейшем такой вихрь обособляется и под действием силы гравитации конденсируется. В результате из него возникает быстро вращающаяся спиральная галактика.

Возникают не просто отдельные вихри, а определенная их иерархия: вихревые ядра (наиболее крупные вихри) поддерживают и снабжают энергией вихри меньших масштабов. Энергия передается каскадным путем от немногих крупных вихрей к большому числу вихрей с меньшими размерами. В конце концов самые мелкие вихри расходуют свою энергию на преодоление вязкого трения. Оно переходит в энергию тепловых движений частиц.

Таким образом, быстрое вращение галактик, обусловленное внутренними турбулентными вихрями в протоскоплениях, возникает в результате тех же движений, которые создают сами облака — протоскопления. Это логично. Описанную выше теорию происхождения вращения галактик разработал советский астрофизик А.Д. Чернин. В рамках этой теории находит объяснение и разный характер вращения разных галактик. Так, считается, что обособившиеся вихревые ядра образовали гигантские спирали, а вихри турбулентного каскада породили спиральные галактики меньших масс, то есть неправильные галактики, имеющие клочковатую структуру. У них отсутствует какая-либо правильная видимая структура.

Правильные скопления, которые имеют форму сферы или эллипсоидов, произошли от «блинов», которые были описаны ранее и теоретически разрабатывались Я. Б. Зельдовичем. Их внутренние движения поэтому спокойнее, там отсутствует мощная внутренняя турбулентность. В правильных скоплениях преобладают эллиптические галактики, вращение которых гораздо слабее, чем спиральных.

Что собой представляют спирали (рукава) галактик? В 1964 году астрофизики Лин Цзя-Цзяо и Ф. Шу установили, что спираль галактики представляет собой волну, которая распространяется по диску галактики. Эта волна при своем распространении переходит от одних частиц (под частицами мы понимаем и звезды) к другим, при этом вызывает их уплотнение. Таким образом, спирали (рукаву) в одно время принадлежат одни звезды, а в другое — другие, так как в каждом месте, где находится волна, происходит уплотнение тех звезд, которые там находятся. В спиральных рукавах галактик сосредоточены самые яркие и молодые звезды. Их образование происходит непрерывно и не прекратилось и в наши дни.

Волна, распространяющаяся в спиральной галактике, имеет вид не окружности (как волна на поверхности воды от брошенного камня), а спирали, потому что вся галактика вращается. Если вся вода вращается (воронка на воде), то и волна на ней имеет форму не окружности, а спирали. Такое представление о физической природе спиральных рукавов галактик хорошо согласуется с экспериментальными данными. Так, было установлено, что спиральный рукав находится в однородном вращении, то есть он вращается как единое целое с постоянной угловой скоростью. Это несмотря на то, что различные части галактики вращаются с разными угловыми скоростями (дифференциально): внутренняя область галактики вращается как твердое тело, то есть с постоянной угловой скоростью, а за ее пределами по мере приближения к краю галактики угловая скорость вращения уменьшается. Тем не менее скорость вращения спирального рукава постоянна везде. Она создается распространяющейся волной. Может создаться впечатление, что эта волна очень мощная, если судить по светимости спиральных рукавов. На самом деле здесь важную роль играет тот факт, что в спиральном рукаве находятся яркие, молодые звезды, и поэтому, несмотря на то, что волна уплотняет их всего на 10 процентов, спиральные рукава хорошо видны даже в далеких спиральных галактиках. Но почему в спиральных рукавах сосредоточены молодые, яркие звезды? Да потому, что они там рождаются. Распространяющаяся волна уплотняет не только звезды, но и межзвездный газ. В результате он конденсируется в звезды, которые, пока молоды, светят очень ярко. Поэтому они сильно выделяются среди других звезд диска галактики и благодаря им хорошо просматриваются спиральные рукава. Наблюдения подтвердили, что спиральную форму имеют не только области, занятые звездами, но и области, занятые нейтральным водородом в диске нашей Галактики. Рукава, заполненные нейтральным водородом, очерчены молодыми звездами. Такая картина может иметь место только в том случае, если из этого газа достаточно быстро образовались звезды и если яркая стадия образованных звезд не очень длительная. Ясно, что в противном случае границы рукавов для газа и звезд не совпадали бы, так как рукава (волна) находятся в движении.

Поскольку скорость вращения спирального узора и скорость вращения диска галактики различны, происходит протекание газа сквозь спиральный рукав со сверхзвуковой скоростью. При этом неизбежно возникает ударная волна (когда газ сталкивается с рукавом). Газ в ударной волне претерпевает сильное сжатие, с которого и начинается образование звезд. Видимо, имеются и другие возможности образования звезд в спиральных рукавах галактик. Но все они, несомненно, связаны с уплотнением спиральной волны межзвездного газа. Остается еще ответить на вопрос: откуда взялась волна, производящая уплотнение газа и звезд? Однозначного ответа пока нет. Имеются две возможности. Волна может возбуждаться другой галактикой — спутником данной галактики или же значительным сгущением, которое находится на периферии. Поле тяготения этого периферийного объекта может вызывать возмущения в общем поле тяготения диска галактики, которые будут проявляться в диске в виде спиральной волны. При этом волна будет распространяться от периферии к центру галактики. Описанная возможность возбуждения спиральных волн весьма реальна и не противоречит наблюдениям. Ведь многие галактики имеют на концах своих спиральных ветвей необходимые для этого сгущения.

Тем не менее возможен и другой вариант: источник волны расположен в центре галактики. Таким источником могла бы быть гидродинамическая неустойчивость в центре диска галактики, которая возникает вследствие особого характера вращения в центре. Возможным генератором волны могло бы быть вращение некоторого несимметричного образования, которое должно вызывать возмущение поля тяготения диска галактики. Окончательно этот вопрос разрешит время.