Типы галактик: классификация Хаббла и эволюция спиральных, эллиптических и неправильных систем

Галактики — это связанные гравитацией скопления звезд, пыли, газа, радиации и темной материи. Большинство из них содержат огромное количество звездных систем и расположены на колоссальных расстояниях от нашей галактики — Млечного Пути, так что свет, достигающий Земли от этих галактик, возник миллиарды лет назад. Понимание типов галактик помогает астрономам проследить эволюцию Вселенной и распределение материи в космических масштабах. Современные оценки числа галактик в наблюдаемой Вселенной достигают двух триллионов, каждая из которых содержит от десятков миллионов до сотен триллионов звезд.

Морфологическая классификация галактик по Хабблу. Телескопические наблюдения показывают, что галактики имеют широкий спектр различных форм, впервые классифицированных американским астрономом Эдвином Хабблом в 1924 году на четыре основных типа: спиральные галактики, спиральные галактики с перемычками (барами) , эллиптические галактики и неправильные галактики. С тех пор классификация Хаббла была уточнена, но астрономы продолжают использовать ту же базовую схему, которую часто называют диаграммой камертона Хаббла из-за характерной формы, напоминающей камертон. Эта классификация остается фундаментальной для понимания морфологии и эволюции галактик, хотя современные данные показывают, что многие галактики со временем меняют свой тип в результате слияний и аккреции газа.

Спиральные галактики характеризуются формой сплющенного диска, который имеет центральную выпуклость (балдж) , и спиралевидными рукавами, выходящими из этой центральной выпуклости и простирающимися в удаленные области галактики. Они окружены галактическим гало, состоящим из скоплений старых тусклых звезд, образующих сферу вокруг других частей галактики. Млечный Путь, содержащий миллиарды звездных и планетных систем, включая Землю, является спиральной галактикой. Одно из основных различий между разными типами спиральных галактик заключается в том, насколько плотно закручены спиральные рукава, огибающие выпуклость в ядре.

Изображение галактики M51 Whirlpool, сделанное телескопом «Хаббл» 7 ноября 2002 года (Центр космических полетов имени Годдарда НАСА).

Как правило, чем больше центральный балдж галактики, тем плотнее закручены рукава. Галактики с небольшими центральными балджами в ядрах, как правило, имеют слабо закрученные спиральные рукава и более разреженное распределение вещества внутри них. В классификации Хаббла формы спиральных галактик обозначаются буквой S, а строчные буквы a–d указывают на постепенно расширяющиеся спиральные формы, так что галактики типа Sc более открыты, чем галактики типа Sa. Большинство спиральных галактик имеют диски, богатые газом и пылью, и гало, состоящие в основном из старых тусклых звезд. Спиральные рукава содержат много молодых звезд и активно формирующихся звездных систем, представляя собой наиболее плотные части этих галактик и давая материал для рождения новых звезд.

Спиральные галактики с перемычкой (зарешеченные спирали) — это особый класс, в котором концентрированный бар (брус) из звездного и межзвездного вещества проходит через центральную выпуклость, а спиральные рукава отходят от концов этого бара. Большинство из них имеют необычную форму, напоминающую гигантские Z- или S-образные фигуры, со спиральными следами светящегося вещества, простирающимися вокруг перемычки. В классификации Хаббла такие галактики обозначаются как SB, а строчные буквы a–c указывают, насколько разомкнуты спиральные рукава относительно бара. Недавние исследования показывают, что более половины всех спиральных галактик, включая Млечный Путь, могут обладать зарешеченной структурой, что делает зарешеченные спирали доминирующим морфологическим типом в локальной Вселенной.

Эллиптические и неправильные галактики. Эллиптические галактики представляют собой скопления звездного и межзвездного вещества круглой или сильно вытянутой формы, плотность которых увеличивается по направлению к центру. Размеры эллиптических галактик и количество содержащихся в них звезд сильно варьируют. Некоторые из них невелики и известны как карликовые эллиптические галактики — их диаметр составляет всего один килопарсек (около 3260 световых лет), а число звезд — порядка миллиона. Другие, напротив, огромны, во много раз превосходя размеры Млечного Пути, и содержат триллионы звезд в гигантских эллиптических галактиках, которые могут достигать нескольких мегапарсек в поперечнике. Эллиптические галактики, как правило, имеют слабую внутреннюю структуру, у них нет спиральных рукавов и выраженной центральной выпуклости. В классификации Хаббла они обозначены буквой E, а цифры 1–7 указывают на переход от наименее вытянутых (E1) к наиболее вытянутым (E7) формам.

Эллиптические галактики также отличаются от спиральных тем, что содержат мало газа и пыли, и, по-видимому, в них отсутствуют молодые звезды или области активного звездообразования. Большинство звезд в эллиптических галактиках выглядят как старые, относительно холодные, красноватые звезды с малой массой, похожие на звезды в гало Млечного Пути и других спиральных систем. Таким образом, эллиптические системы — это древние системы, в которых газ и пыль давным-давно были израсходованы на звездообразование, а звезды движутся по неправильным траекториям внутри эллиптической массы. Как и в случае с большинством обобщений, есть исключения: недавние наблюдения показали, что некоторые гигантские эллиптические галактики имеют небольшие области, содержащие газовые и пылевые диски. Некоторые астрономы предполагают, что это могут быть остатки спиральных галактик, столкнувшихся с гигантскими эллиптическими. Считается, что такие слияния играют ключевую роль в формировании эллиптических галактик, особенно массивных.

Неправильные галактики (иррегулярные) включают целый ряд других галактик, которые не вписываются в классы спиральных, зарешеченных спиральных или эллиптических. У этих галактик, как правило, отсутствует систематическая структура, такая как спиральные рукава или балджи, но они содержат большое количество межзвездного материала — пыли и газа. Неправильные галактики типа Irr I немного напоминают искаженные спиральные галактики; известные примеры — Магеллановы Облака, вращающиеся вокруг Млечного Пути. Менее распространенные галактики типа Irr II обладают взрывными или нитевидными характеристиками, часто указывающими на бурные внутренние процессы. Были выдвинуты различные модели для объяснения этих особенностей, включая массивные взрывы внутри галактик (например, вспышки сверхновых или активность активных ядер галактик) либо последствия близких столкновений с другими галактиками, нарушающих их морфологию.

Большинство неправильных галактик содержат от одного миллиарда до ста миллиардов звезд, причем меньшие по размеру неправильные карлики встречаются чаще, чем крупные эллиптические галактики. Эти неправильные карлики особенно распространены в локальной Вселенной и считаются важными лабораториями для изучения звездообразования в средах с низкой металличностью (содержанием элементов тяжелее гелия). Наблюдения с таких телескопов, как космический телескоп «Хаббл» и космический телескоп «Джеймс Уэбб», продолжают уточнять наше понимание формирования галактик, показывая, что многие неправильные галактики могут представлять собой ранние стадии эволюции или взаимодействующие системы. Со временем, в результате приливных взаимодействий и аккреции газа, они могут трансформироваться в более структурированные формы, такие как спиральные или даже эллиптические галактики, что подтверждается современными космологическими симуляциями.

Дополнительная информация:
Хаббл, Эдвин П. Мир туманностей. Нью-Хейвен: Издательство Йельского университета, 1936.
Сандэйдж, Аллан. “Схема классификации галактик Хаббла”. Ежегодный обзор астрономии и астрофизики, 13 (1975): 1–37.
Бинни, Джеймс и Меррифилд, Майкл. Галактическая астрономия. Принстон: Издательство Принстонского университета, 1998.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.