Рождение и эволюция галактик

Итак, первым условием образования галактик во Вселенной стало появление случайных скоплений вещества в однородной Вселенной. Впервые подобная мысль была высказана еще И. Ньютоном, который утверждал, что если бы вещество было равномерно рассеяно по бесконечному пространству, оно никогда бы не собралось в единую массу. Оно собиралось бы частями в разных местах бесконечного пространства. Эта идея Ньютона стала одним из краеугольных камней современной космогонии.

Вторым условием появления галактик стало наличие малых возмущений, флуктуации вещества, ведущих к отклонению от однородности и изотропности пространства. Именно флуктуации и стали теми «затравками», которые привели к появлению более крупных уплотнений вещества. Эти процессы можно представить по аналогии с процессами образования облаков в атмосфере Земли. Известно, что водяной пар конденсируется на крохотных частичках – ядрах конденсации. Ими могут быть частички сажи или поваренной соли. Конечно, между атмосферой Земли и ранней Вселенной разница очень велика. Но считается, что и, там, и там наличие затравочных флуктуации необходимо.

К сожалению, современной науке пока не известны причины появления таких флуктуации. Но считается, что наличие единственной силы – гравитации, действующей в однородной Вселенной, достаточно для нарушения исходной однородности. Анализ процессов гравитационной неустойчивости привел к понятию «джинсовой массы» и «джйнсова размера» (в честь Д. Джинса – знаменитого английского астронома, занимавшегося анализом данных проблем).

Джинсов размер– это критический размер сгущения вещества, необходимый для появления затравочной флуктуации.

Джинсова масса– масса этого сгущения.

Если размеры и масса сгущения меньше критических величин, то в конце концов сгущение начнет расширяться и постепенно рассосется, от него не останется и следа. Если же размеры и масса сгущения больше критических величин, то плотность сгущения будет расти.

В середине XX в. советский академик Е. Лифшиц выполнил расчеты, описывающие поведение таких сгущений. Он доказал, что в расширяющейся Вселенной участки среды с большей плотностью будут расширяться медленнее, чем Вселенная в целом, что они будут постепенно отставать в расширении от остальной Вселенной и в какой-то момент времени совсем перестанут расширяться.

Эти изолированные участки вещества очень велики по массе – 10¹⁵ – 10¹⁶ масс Солнца. Эти массы под действием гравитации начинают сжиматься, причем происходит это весьма своеобразно – анизотропно. Вначале исходные объекты имели форму куба, а затем сжались в пластинку – «блин».

Первоначально изолированные друг от друга плоские «блины» очень скоро вырастают в плотные слои. Слои пересекаются, и в процессе их взаимодействия образуется ячеисто-сетчатая структура, где стенками огромных пустот служат блины. Отдельный блин представляет собой сверхскопление галактик и имеет плоскую форму.

Так как «блинная» теория не свободна от недостатков, есть и другие космогонические гипотезы. Так, возможно, первичные сгущения имели массу 10⁵ – 10⁶ масс Солнца, и из них сразу возникли и шаровые скопления, и галактики, и скопления галактик. Эти первичные сгустки, сжимаясь, становились сферически симметричными. Кроме того, они сразу фрагментировались на звезды.

Существуют предположения, почему чаще встречаются спиральные галактики, чем галактики других типов. Возможно, спиральные галактики образуются в результате слияния протогалактик в скоплениях. Вначале образуется объект неправильной формы, затем за несколько сотен миллионов лет (немного, по космическим меркам) неровности сглаживаются, и образуется массивная эллиптическая галактика. Постепенно в результате вращения такой галактики может образовываться дискообразная структура, постепенно приобретающая вид спиральной галактики. Подтверждением этой точки зрения является наличие галактик переходного типа, занимающих промежуточное положение между спиральными и эллиптическими галактиками.

Также есть предположение, почему в скоплениях галактик присутствует одна гигантская галактика, а остальные – мелкие. Считается, что вначале гигантская галактика лишь немного превосходила по своим размерам соседние галактики. Но по мере того, как галактика двигалась по спиральной траектории к центру скопления, она заглатывала более мелкие системы. Такие мелкие галактики, обреченные на «съедение», называют галактиками-миссионерами.

Были выдвинуты гипотезы, объясняющие вращение галактик. Сегодня считается, что на ранних стадиях эволюции протогалактики были гораздо больше, чем сейчас. Кроме того, космологическое расширение не успело их разогнать далеко друг от друга, поэтому между ними возникали значительные гравитационные силы. Эти силы принимали вид приливных взаимодействий, которые и вызывали вращение галактик.

Наша Галактика вращается довольно сложным образом. Значительная часть галактической материи вращается дифференциально, как планеты вращаются вокруг Солнца, не обращая внимания на то, по каким орбитам движутся другие, достаточно далекие космические тела, и скорость вращения этих тел уменьшается с увеличением их расстояния от центра. Но есть часть диска нашей Галактики, который вращается твердотельно, как музыкальный диск, крутящийся на проигрывателе. В этой части галактического диска угловая скорость вращения одинакова для любой точки. Кстати, наше Солнце находится в таком участке Галактики, в котором скорости твердотельного и дифференциального вращения равны. Такое место называется коротационным кругом. В нем создаются особые, спокойные и стационарные условия для процессов звездообразования.

Самый большой интерес ученых вызывает вращение спиральных рукавов Галактики. Есть предположение, что, возможно, в центре Галактики находится сингулярная точка – черная дыра, в которой не только перерабатывается, но и рождается материя. Истечение этой рождающейся в центре Галактики материи и образует спиральные структуры.