Эллиптические галактики. Неправильные галактики каталога Мессье. Большой портрет галактик
Галактика Андромеды
Спираль или эллипс? А может, линза? В 1936 году Эдвин Хаббл предложил последовательность эволюции галактик, которая, с незначительными модификациями, остается актуальной до сих пор.
По этой классификации существует четыре основных типа галактик. Иногда к отдельному виду относят карликовые галактики, однако ничем, кроме своего относительно малого размера они не выделяются и сами принадлежат к тому или иному типу в классической категоризации.
Со стороны выглядит как гигантская звезда – светящийся шар с сильнейшей яркостью в центре и тускнеющий к краям. Эллиптические, или сфероидальные галактики почти полностью состоят из старых звезд, поэтому всегда имеют желтый или красноватый оттенок. Новые звезды в них практически не образуются, так как количество межзвездного газа и пыли в них ничтожно (хотя встречаются и исключения). Отличаются между собой эллиптические звездные системы лишь по размеру и степени сжатия. Именно по сжатию их и классифицируют, от E0 до E7. Составляют примерно четверть из числа видимых галактик. По классификации Хаббла – это начальная стадия галактической эволюции.
Эллиптическая галактика ESO 325-G004 / ©NASA/ESA
Спиральная галактика
Самый распространенный тип и, вероятно, самый красивый – составляет более половины числа всех известных галактик. Выглядит как диск с ярким желтым шаром в центре, вокруг которого в виде спиралей закручены более тусклые ветви-рукава голубоватого оттенка (из-за наличия особых звезд – белых и голубых сверхгигантов).
От эллиптических звездных систем отличается целым рядом особенностей строения. Во-первых, у спиральных галактик присутствуют рукава, где проходят процессы активного звездообразования. Во-вторых, присутствует звездный диск – относительно тонкий слой материи вдоль плоскости галактики, где находится основная масса объектов системы, и звезды в котором вращаются вокруг центра диска. В-третьих, широко наблюдается наличие межзвездного газа и пыли – необходимой для рождения звезд среды. Многие спиральные галактики имеют в своем центре своеобразную перемычку (бар), от концов которой расходятся рукава. Классифицируются буквой S и различаются по плотности расположения рукавов (Sa-Sd, с перемычкой – SBa-SBd).
Количество рукавов в среднем составляет пару, однако встречается и больше; в некоторых случаях рукава отличаются по размеру. Все они (если не переживают галактическое столкновение) закручены в одну сторону вокруг центра, где сосредоточена основная масса вещества в виде сверхмассивной черной дыры и плотного шарообразного скопления из старых звезд – балджа.
И наша галактика – Млечный путь, и Туманность Андромеды, с которой мы неминуемо столкнемся через 4 миллиарда лет, – обе представляют собой спиральные галактики. Солнце находится между рукавов и вдали от галактического центра, причем скорость его движения примерно равна скорости вращения рукавов; таким образом, солнечная система избегает опасных для земной жизни областей активного звездообразования, где часто вспыхивают сверхновые.
Спиральная галактика Водоворот и её компаньон NGC 5195 / ©NASA
Линзообразная галактика
По классификации Хаббла это промежуточный тип между эллиптической и спиральной галактиками (S0). Линзообразные звездные системы обладают звездным диском вокруг центрального шаровидного скопления-балджа, однако рукава относительно малы и выражены не очень ярко, а количества межзвездной газопылевой материи недостаточно для активного рождения новых звезд. Основные жители – старые большие звезды, красного или желтого цветов.
Различаются по количеству межзвездной пыли и плотности перемычки в галактическом центре. Составляют примерно 20% числа галактик.
Линзообразная галактика NGC 7049 / ©NASA/ESA
Неправильная галактика
Ни эллипс, ни спираль – неправильные галактики не обладают ни одной из распространенных форм. Как правило, это хаотически связанные гравитацией звездные скопления, порой не имеющие четкой формы и даже ярко выраженного центра. Составляют примерно 5% галактик.
Почему они так сильно отличаются от своих галактических собратьев? Очень вероятно, что каждая такая звездная система когда-то была эллиптической или спиральной, но ее изуродовало столкновение с другой галактикой, или тесное соседство с ней.
Делятся на два основных типа: те, кто имеет хоть какое-то подобие структуры, позволяющее отнести их к последовательности Хаббла (Irr I), и те, кто не обладает даже подобием (Irr II).
Иногда выделяют третий тип – карликовые неправильные галактики (dl или dIrr). В них наблюдается низкое количество тяжелых элементов и большое количество межзвездного газа, что делает их похожими на протогалактики ранней Вселенной. Поэтому изучение этого вида неправильных галактик имеет важное значение для понимания процесса галактической эволюции.
NGC 1569 является карликовой неправильной галактикой в созвездии Жирафа / ©NASA/ESA
Эллиптические галактики внешне, пожалуй, самый невыразительный тип галактик. Они имеют вид гладких эллипсов или кругов с постепенным уменьшением яркости от центра к периферии. Никакого дополнительного рисунка у них нет, потому что эллиптические 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.
Отсутствуют бело-голубые сверхгиганты и гиганты, группировки которых можно было бы наблюдать в виде ярких сгустков, придающих структурность системе. Нет пылевой материи, которая в тех галактиках, где она имеется, создает темные полосы, оттеняющие форму звездной системы. Поэтому внешне эллиптические галактики отличаются друг от друга в основном одной чертой - большим или меньшим сжатием. Хабл предложил показателем сжатия считать величину 10x((a-b)/a), которую легко вычислить, если на фотографии измерены большая а и малая b полуоси эллиптической галактики. Например, у круглой галактики (круг - это частный случай эллипса) полуоси а и b равны, поэтому сжатие получается равным нулю, т. е. его нет. Если у — галактики большая — полуось вдвое больше малой, то показатель сжатия оказывается равным 5, а в случае чрезвычайно сильного сжатия, когда b очень мало в сравнении с a, показатель сжатия равен 10, Конечно, в общем случае показатель сжатия будет чаще дробным числом, но Хабл предложил всегда округлять его до целого числа и обозначать тип эллиптической галактики при помощи буквы E со следующим за ней показателем сжатия.
Как выяснилось, очень сильно сжатых эллиптических галактик нет, показатели сжатия 8, 9 и 10 не встречаются. Наиболее сжатые эллиптические галактики - это Е7.
Возьмем три галактики: NGC 4636, NGC 4406 и NGC 3115, относящихся соответственно к типам Е0, ЕЗ и Е7. У них всех яркость плавно убывает с удалением от центра и граница очерчена не резко. Это естественно, поскольку эллиптическая галактика не твердое и не жидкое тело, а система, состоящая из огромного числа светящихся частиц - звезд.
В наблюдательной науке, какой является астрономия, обычной является задача определения по видимым свойствам объектов истинных их свойств.
Мы наблюдаем галактику в форме эллипса. Но очевидно, что галактика - это не плоская фигура, а тело, которое, если его рассматривать из некоторой точки, представляется эллипсом, К сожалению, мы не можем, и никогда не сможем рассматривать эту галактику еще и из другой точки. Тем не менее нужно как-то выяснить, какую действительную форму имеет наблюдаемая галактика. Если бы на небе существовала только одна эллиптическая галактика, то поставленная задача была бы, по-видимому, неразрешимой, так как существует бесчисленное множество форм тел таких, что с некоторого одного направления они видны как эллипс. К счастью, эллиптических галактик много. И все они наблюдаются в виде эллипсов. Естественно в таком случае считать, что эллиптические галактики обращены к нам различными сторонами и, следовательно, имеют такую форму, которая при наблюдении с любой точки представляется в виде эллипса. В природе известно единственное тело, обладающее таким свойством, - это эллипсоид. Любая проекция эллипсоида на плоскость дает эллипс.
Этот вывод подтверждается и теоретическими соображениями. В механике доказано, что всякое вращающееся жидкое тело, находящееся под действием только своих собственных сил притяжения, принимает в равновесном состоянии форму эллипсоида.
В частности, планеты имеют форму сжатых эллипсоидов вращения, потому что в масштабе всей планеты ее вещество ведет себя как жидкое. Сжатие, однако, у планет невелико. Показатель сжатия, вычисленный для Земли, дал бы 0,03, для Юпитера 0,65, для самой сильно сжатой планеты Сатурн 1,03. Это зависит от угловой скорости вращения тела и его средней плотности. Чем больше угловая скорость вращения и чем меньше плотность, тем больше сжатие.
Хотя звездная система не есть жидкое тело, можно привести серьезные аргументы в пользу того» что она в состоянии равновесия также принимает форму, близкую к форме эллипсоида. Если к тому же использовать данные, известные о планетах, то можно принять, что эллиптические галактики имеют форму сжатых эллипсоидов вращения.
В зависимости от того, с какой стороны наблюдать сжатый эллипсоид вращения, он представляется более сжатым или менее сжатым эллипсом. Самое большое сжатие будет наблюдаться, если луч зрения перпендикулярен к оси вращения, т. е. галактика наблюдается с ребра. В этом случае сжатие эллипса характеризует форму эллипсоида, и мы его назовем истинным сжатием эллиптической галактики. Чем меньше угол между лучом зрения и осью вращения эллипсоида, тем менее сжат наблюдаемый эллипс, а при совпадении луча зрения с осью вращения, т. е. при наблюдении в плане, будет виден круг.
Таким образом, истинное сжатие эллиптической галактики или больше ее видимого сжатия или равно ему.
Теперь невольно возникает вопрос, не является ли различное сжатие эллиптических галактик следствием одной только причины - различием ориентации этих галактик по отношению к лучу зрения. Может быть, все эллиптические галактики имеют показатель истинного сжатия, равный 7, но в результате всевозможных ориентации получаются различные у разных галактик показатели видимого сжатия - от 0 до 7?
Оказывается, на этот вопрос можно получить точный ответ, если сделать естественное предположение, что все направления осей вращения эллиптических галактик равновероятны, т. е. что все направления осей вращения встречаются одинаково часто. Это чисто математическая задача - по распределению видимых сжатий эллиптических галактик найти распределение их истинных сжатий - впервые была поставлена Хаблом. Впоследствии ее подробно исследовала К. В. Каврайская.
Решение задачи показало, что среди эллиптических галактик, входящих в состав скоплений галактик, преобладают показатели истинного сжатия 4, 5, 6, 7 и почти нет слабо сжатых и сферических галактик. А среди эллиптических галактик вне скоплений, наоборот, подавляющее большинство - галактики с очень слабым сжатием или, сферические, т. е. с показателем истинного сжатия 1 и 0.
Интересно, что это различие не ограничивается формой. Эллиптические галактики в скоплениях галактик - это гигантские галактики, в то время как эллиптические галактики вне скоплений - это карлики в мире галактик. Таким образом, мы впервые встретились с явлением различия типажа галактик в разных областях Вселенной.
Поражает почти полная идентичность цвета Е-галактик, близких по светимости. Выше говорилось, что они состоят, по-видимому, из очень старых звезд. Однако очаги звездообразования могут быть и в них - вблизи самого центра. Значительная часть этих галактик (около 15%) в центральной области имеет достаточное количество горячего газа, чтобы его присутствие можно было выявить из спектрального анализа. В одном случае в центре галактики даже обнаружена гигантская область ионизованного водорода типа туманности Тарантул в БМО. Но и в этом случае полная масса межзвездного газа составляла ничтожный процент от массы всей галактики. В близких к нам эллиптических галактиках - NGC 205 и NGC 185, которые хорошо видны на фотографиях как светлые округлые пятна рядом с туманностью Андромеды, также обнаружены клочковатые следы диффузного вещества вблизи центра галактики. Там же в 1950-х годах было найдено присутствие нескольких десятков горячих голубых звезд большой светимости, по-видимому, недавно образовавшихся. Есть и другие примеры, показывающие, что звездообразование, хотя очень слабое, может продолжаться и в эллиптических галактиках. Но откуда берется для этого межзвездный газ?
Оказывается, не столько удивительно, что он там есть, сколько то, что его так мало. Действительно, раз имеются звезды, то многие из них в течение своей эволюции должны потерять часть своего вещества, как это мы наблюдаем, например, в нашей Галактике. По приближенным оценкам, в массивной галактике, состоящей из старых звезд, в межзвездное пространство за год выбрасывается около одной или нескольких солнечных масс этого газа. Это дает 10 9 масс Солнца за 1 млрд. лет, а такое количество газа мы легко могли бы обнаружить. Куда же девался газ?
Интересный ответ на этот вопрос был предложен в 1972 г. У. Метьюсом и Дж. Бекером. Они предположили, что сброшенный звездами газ нагревается Сверхновыми. Хотя взрывы Сверхновых - редкое явление, они, отдавая часть своей энергии межзвездной газовой среде, в состоянии нагреть очень разреженный газ до температуры в несколько миллионов градусов. При таких температурах, как показывают расчеты, газ уже не удерживается в галактике и покидает ее. При этом образуется как бы «галактический ветер» (по аналогии с «солнечным ветром») - поток горячего газа в межгалактическое пространство. Правда, расчеты показывают, что уходит не весь газ. Вблизи самого центра, где плотность межзвездного газа больше, чем в других местах, он будет довольно быстро остывать и его не смогут нагреть до достаточно высоких температур взрывы Сверхновых. Собираясь в центральной области, он будет способствовать процессу звездообразования или служить источником энергии для активности галактического ядра (об этом будет идти речь дальше).
Галактика — это огромное скопление звезд, звездных систем, межзвёздного газа и пыли, тёмной материи, связанные гравитацией в единую систему. Все объекты в составе галактики участвуют в движении относительно общего центра масс. Галактики — это невообразимо далекие астрономические объекты, расстояние до ближайших из них принято измерять в мегапарсеках, а до далёких - в единицах красного смещения z.
Как правило галактики содержат от нескольких миллионов до нескольких триллионов звезд. Кроме обычных звезд и межзвездной среды галактики также содержат различные туманности. Размеры галактик от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч световых лет. А расстояние между галактиками достигает миллионов световых лет.
Около 90 % массы галактик приходится на долю темной материи и энергии. Природа этих невидимых компонентов пока не изучена. Существуют свидетельства того, что в центре многих галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры. Пространство между галактиками практически не содержит вещества и имеет среднюю плотностью меньше одного атома на кубический метр. Предположительно, в видимой части вселенной находится около 100 млрд. галактик.
По классификации, предложенной Хабблом в двадцатых годах 20 века существуют несколько видов галактик:
— эллиптические(E),
— линзообразные(S0),
— обычные спиральные(S),
— пересеченные спиральные или спиральные с перемычкой (SB),
— неправильные (Ir).
Эллиптические галактики
На фото: карликовая эллиптическая галактика в созвездии Андромеды М32. По Фабблу классифицирована как E2. М32 означает, что галактика зарегистрирована в каталоге Мессье под номером 32
Эллиптические галактики (E) — класс галактик с четко выраженной сферической структурой и уменьшающейся к краям яркостью. Они выглядят как нерезкий круг или эллипс, яркость которого быстро уменьшается от центра к периферии. Полагают, что в центре ярких эллиптических галактик находится массивная черная дыра. Размеры эллиптических галактик колеблются от нескольких пк до более 100 кпк*
[* кпк — килопарсек=1000 парсек. Парсек (пк) = 30,8568 трлн км (петаметров) = 3,2616 светового года.]
По форме эллиптические галактики очень разнообразны: бывают как шаровые, так и очень сплюснутые. В связи с этим они подразделены на 8 подклассов - от Е0 (круглая) до Е7 (сплюснутая).
Это наиболее простые по структуре галактики. Состоят, преимущественно, из звёзд следующих типов: старых красных и желтых гигантов, красных, желтых и белых карликов. Образование звезд в галактиках этого типа не происходит уже несколько миллиардов лет. Холодного газа, как и космической пыли почти нет; наиболее массивные галактики заполнены очень разреженным горячим газом с температурой более 1 000 000 К*, поэтому цвет этих галактик красноватый. Вращение обнаружено лишь у наиболее сжатых из эллиптических галактик.
[* K — Кельвин — единица измерения температуры.0 К = -272.15 градусов С; 1 000 000 К = 999 726,85 С ]
Примерами эллиптических галактик служат галактики M32, M87 и M110.
Линзовидные галактики
На фото: эллиптическая галактика Верено (иначе: NGC 5866, MCG 9-25-17, ZWG 274.16) . Галактика наблюдается практически с ребра, что позволяет видеть тёмные области космической пыли, находящиеся в галактической плоскости. Находится на расстоянии примерно в 44 млн световых лет.
Линзовидные галактики похожи на эллиптические, но, кроме сфероидального компонента, имеют тонкий быстро вращающийся экваториальный диск, иногда с кольцеобразными структурами наподобие колец Сатурна. Линзовидные галактики практически не содержат газа и пыли. Поэтому процесс звездообразования происходит слишком медленно. Такие галактики состоят в основном из старых красноватых звезд-гигантов. По классификации Хаббла линзовидными являются классы S0, SB1, E8.
Спиральные галактики
На фото: спиральная галактика Андромеды M31 типа Sb. Ближайшая галактика Млечного Пути. Содержит примерно 1 триллион звёзд.
Спиральные галактики (S) - самый многочисленный тип - составляют около 50 % всех наблюдаемых галактик. Чаще всего наблюдаются за пределами скоплений галактик. Спиральная галактика состоит из почти сферического балджа (центр), окруженного плоским вращающимся диском, который, в свою очередь, окружен сферическим гало, диаметром близким к диаметру диска. Как правило, у галактики имеются две спиральные ветви, берущие начало в противоположных точках ядра, развивающиеся сходным, симметричным образом и теряющиеся в противоположных областях периферии галактики. Однако известны примеры большего, чем двух, числа спиральных ветвей в галактике. В других случаях спирали две, но они неравноправны - одна значительно более развита, чем другая.
Спиральные галактики с перемычкой (SB)- спиральные галактики с перемычкой из ярких звёзд, выходящей из центра и пересекающей галактику посередине. Спиральные ветви в таких галактиках начинаются на концах перемычек, тогда как в обычных спиральных галактиках они выходят непосредственно из ядра. Перемычка еще называется «бар». К ним, кстати, относится и наша Галактика Млечный Путь.
Спиральные галактики по Хабблу распределяются на категории a b с. Например:
Галактики Sa и SBa — галактики, у которых ветви развиты слабо, в некоторых случаях только намечаются. Ядра у таких галактик всегда большие, обычно составляют около половины наблюдаемого размера самой галактики. Из спиральных галактик Sa наименее выразительны, в них есть черты эллиптических галактик. Примером галактики типа Sa является NGC 3898. Эта галактика расположена в созвездии Большой Медведицы.
Следующий подкласс - Sb и SBb. У галактик этого типа спиральные ветви уже заметно развиты, но не имеют богатых разветвлений. Ядра меньше, чем у Sa. Примерами Sb могут служить галактики NGC 488, NGC 3521 и NGC 6384. Для этих трех галактик характерна множественность спиральных ветвей. В отличие от них, у галактики NGC 210, также типа Sb, только две легко выраженные почти не разветвленные спиральные ветви. Галактикой Sb является также известная туманность Андромеды (NGC 224).
Sc и SBc — Галактики с сильно развитыми, разделяющимися на несколько рукавов ветвями и малым в сравнении с ними ядром относятся к типу Sс. Яркими примерами спиралей типа Sc являются NGC 628, NGC 1232 и NGC 157.
Спиральные галактики, наблюдаются нами либо в плане, либо в три четверти. А как же выглядят спиральные галактики, если наблюдать их с ребра?
У всех спиральных галактик, наблюдаемых с ребра, видна темная полоса, как бы разделяющая галактику на две части. В нашей Галактике около ее плоскости симметрии сосредоточена темная пылевая материя, поэтому внегалактический наблюдатель, рассматривая Галактику с ребра, тоже должен видеть темную полосу, как бы разделяющую Галактику на две части. Следовательно, темная полоса, наблюдаемая в других спиральных галактиках, показывает, что и в них, как в нашей Галактике, имеется темная пылевая материя, сосредоточенная около плоскости симметрии.
Рукава спиральных галактик имеют голубоватый цвет, так как в них присутствует много молодых гигантских звёзд. Эти звёзды возбуждают свечение диффузных газовых туманностей, разбросанных вместе с пылевыми облаками вдоль спиральных ветвей. Цвет центральных сгущений - красновато-жёлтый, свидетельствующий о том, что они состоят в основном из звёзд спектральных классов G, K и M. Все спиральные галактики вращаются со значительными скоростями, поэтому звёзды, пыль и газы сосредоточены у них в узком диске. Вращение в подавляющем большинстве случаев происходит в сторону закручивания спиральных ветвей.
Неправильные галактики
На фото: галактика в созвездии Эридан NGC 1427A(другие обозначения - ESO 358-49, MCG −6-9-16, AM 0338-354, FCC 235, PGC 13500). Она находится на расстоянии 62 млн световых лет от Земли, входя в Скопление Печи. В галактику NGC 1427A входит большое число молодых горячих голубых звёзд, что свидетельствует об интенсивном формировании новых звёзд.
Неправильные галактики - это галактики, которые не обнаруживают ни спиральной ни эллиптической структуры. Чаще всего такие галактики имеют хаотичную форму без ярко выраженного ядра и спиральных ветвей. В процентном отношении составляют одну четверть от всех галактик. Большинство неправильных галактик в прошлом являлись спиральными или эллиптическими, но были деформированы гравитационными силами.
Существует два больших типа неправильных галактик:
1. Неправильные галактики первого типа (Irr I) представляют собой неправильные галактики, имеющие намеки на структуру, которых, однако, не достаточно, чтобы отнести их к последовательности Хаббла. Существует два подтипа таких галактик - обнаруживающих подобие спиральной структуры (Sm), и с отсутствием таковой (Im).
2. Неправильные галактики второго типа (Irr II) - это галактики, не имеющие никаких особенностей в своей структуре, позволяющих отнести их к последовательности Хаббла.
Третий подтип неправильных галактик - так называемые карликовые неправильные галактики, обозначаемые как dI или dIrrs. Этот тип галактик в настоящее время считается важным звеном в понимании общей эволюции галактик. Вызвано это тем, что они обнаруживают тенденцию низкого содержания металлов и экстремально высокого содержания газа и поэтому подразумеваются схожими с самыми ранними галактиками, заполнявшими Вселенную.