Галактика — это звездная система колоссальных масштабов, и что это такое в полной мере осознать непросто: внутри одной такой системы могут умещаться сотни миллиардов звезд, облака газа и пыли, темная материя и черные дыры. Наблюдаемая Вселенная содержит, по современным оценкам, от одного до двух триллионов галактик. Строение, классификация, характеристики и самые известные из них — в материале РИА Новости.
Что такое галактика
Галактика — гравитационно связанная система из звезд, межзвездного газа, пыли, темной материи и других объектов, вращающихся вокруг общего центра масс. Термин происходит от греческого слова "galaxias" — молочный, что отсылает к нашей собственной галактике, видимой на ночном небе как светлая полоса Млечного Пути.
Размеры галактик варьируются в огромных пределах: от карликовых систем с несколькими миллионами звезд до гигантов, вмещающих сотни триллионов. Расстояния между галактиками измеряются миллионами световых лет, хотя в составе скоплений они могут взаимодействовать и даже сливаться.
Первым систематически описал галактики как самостоятельные "острова вселенной" Эдвин Хаббл в 1920-х годах. Он же разработал первую классификацию, которую астрономы используют по сей день.
Строение и состав галактики
Несмотря на огромное разнообразие форм, большинство крупных галактик имеют схожие структурные элементы.
- Балдж (ядерное утолщение) — центральная сфероидальная область, плотно заполненная старыми звездами. В центре балджа почти всегда находится сверхмассивная черная дыра. В Млечном Пути ее масса составляет около 4 миллионов масс Солнца.
“Черные дыры остаются одними из самых загадочных объектов во Вселенной и наше понимание о них строится на комбинации косвенных наблюдений, математических моделей и гипотез. По факту мы не можем приблизиться к какой-либо черной дыре и изучить ее, у нас для этого нет технологий. Мы можем только наблюдать за этими объектами издалека, — сказал РИА Новости академик РАЕН доктор технических наук, научный руководитель международного исследовательского центра Neila Technology Юрий Иванов. — Между прочим, наша научная команда как раз занимается разработкой новых космических электромагнитных двигателей такого уровня, чтобы быстро перемещаться не только по Солнечной системе, но и осуществлять космические полеты ближе к черным дырам для их детализированного изучения. Тем не менее, наблюдения показывают, что не все крупные галактики обязательно содержат сверхмассивную черную дыру (СМЧД) в центре, хотя это правило работает для большинства массивных эллиптических и спиральных галактик. Около 90% крупных галактик, типа Млечного Пути или M87, имеют СМЧД в центре. Это подтверждено для тысяч объектов”.
- Диск — плоская вращающаяся область с более молодыми звездами, газом и пылью. Именно здесь расположены спиральные рукава — зоны активного звездообразования.
- Гало — разреженная сферическая область вокруг диска. Содержит старые звезды, шаровые скопления и значительную долю темной материи.
- Межзвездная среда — газ (преимущественно водород и гелий) и пыль, из которых формируются новые звезды. Составляет от нескольких процентов до 50% массы галактики в зависимости от ее типа и возраста.
- Темная материя — невидимая, но гравитационно активная составляющая. По современным оценкам, на нее приходится около 85% всей массы типичной галактики; без нее наблюдаемая скорость вращения галактических дисков необъяснима.
Виды и типы галактик
В 1926 году Хаббл предложил систему классификации, получившую название "камертонная диаграмма Хаббла". Схема делила галактики на несколько основных типов по внешнему виду.
Спиральные
Наиболее распространенный тип среди крупных галактик. Имеют плоский диск с выраженными спиральными рукавами и центральный балдж. Рукава — зоны активного звездообразования, богатые горячими молодыми звездами синего цвета.
Подразделяются на обычные спиральные (S) и спиральные с перемычкой (SB) — с баром (перемычкой) через центр, от концов которого отходят рукава. Млечный Путь относится именно к этому подтипу — SBbc.
По степени закрученности рукавов делятся на Sa/SBa (тугие), Sb/SBb (средние) и Sc/SBc (рыхлые, с активным звездообразованием).
Эллиптические
Галактики без диска и рукавов, имеющие сфероидальную форму от почти сферической (E0) до сильно вытянутой (E7). Состоят преимущественно из старых звезд, содержат мало газа и пыли, звездообразование в них практически прекратилось.
Среди них встречаются как карликовые эллиптические галактики с несколькими миллионами звезд, так и гигантские — крупнейшие объекты во Вселенной, в том числе самая большая видимая галактика IC 1101.
Неправильные
Галактики без четко выраженной симметрии и структуры. Чаще всего неправильная форма — результат гравитационного взаимодействия с соседними галактиками или слияния. Богаты газом и активно формируют новые звезды. Оба Магеллановых Облака относятся к неправильным галактикам.
Линзовидные
Промежуточный тип между спиральными и эллиптическими (обозначаются S0). Имеют диск, как у спиральных, но лишены выраженных рукавов. По составу звезд ближе к эллиптическим — преимущественно старые звезды, мало газа. Считается, что линзовидные галактики — это "состарившиеся" спиральные, утратившие газ для звездообразования.
Современные подходы к классификации
Хаббловская схема остается базовой, но современная астрономия существенно ее дополнила. С развитием наблюдательных технологий, и особенно после запуска космического телескопа Джеймс Уэбб (JWST) в 2021 году, стало ясно, что на ранних этапах Вселенной морфология галактик кардинально отличалась от современной.
Сегодня астрономы дополнительно классифицируют галактики по:
- активности ядра — сейфертовские галактики, квазары, радиогалактики, лацертиды;
- цвету и звездному населению — "красная и мертвая" последовательность против "голубого облака" активного звездообразования;
- степени взаимодействия — изолированные, взаимодействующие, сливающиеся.
JWST обнаружил галактики с развитой структурой уже через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва — значительно раньше, чем предсказывали прежние модели. Это потребовало пересмотра некоторых представлений о темпах галактической эволюции.
Характеристики галактик
Галактики различаются не только по видам и типам, но и по целому набору характеристик.
Масса
Масса галактик варьируется в колоссальных пределах — от нескольких миллионов до нескольких десятков триллионов солнечных масс. При этом видимое вещество (звезды, газ, пыль) составляет лишь небольшую часть полной массы.
Полная масса Млечного Пути оценивается приблизительно в 1,5 триллиона масс Солнца с учетом темной материи.
Размер и объем
Размеры галактик также чрезвычайно разнообразны. Диаметр измеряется в килопарсеках (кпк) или световых годах.
Скорость вращения
Галактики вращаются, но не как твердое тело: разные части движутся с разными угловыми скоростями. Кривые вращения галактик (зависимость скорости от расстояния до центра) стали одним из главных доказательств существования темной материи.
У спиральных галактик скорость вращения на периферии диска практически не падает с расстоянием, хотя по законам гравитации должна убывать. Это объясняется именно наличием массивного гало из темной материи.
Солнечная система вращается вокруг центра Млечного Пути со скоростью около 220 км/с и совершает один оборот примерно за 225–250 миллионов лет — этот период называется галактическим годом, или космическим годом.
Светимость
Светимость галактик — полная мощность излучения — колеблется от менее 10⁵ до более 10¹⁴ солнечных светимостей. Квазары, питаемые активными ядрами с массивными черными дырами, могут превосходить по светимости обычные галактики в тысячи раз.
Светимость определяет и видимую яркость: Андромеда видна невооруженным глазом с расстояния 2,5 миллиона световых лет именно благодаря своей колоссальной светимости.
Наша галактика Млечный Путь
Млечный Путь — спиральная галактика с перемычкой (тип SBbc), в одном из рукавов которой, рукаве Ориона, расположена наша Солнечная система.
Основные параметры Млечного Пути по данным NASA и современных исследований:
Центральная черная дыра Млечного Пути называется Стрелец A*. В 2022 году коллаборация Event Horizon Telescope опубликовала первое изображение этого объекта — через два года после аналогичного снимка черной дыры в галактике M87.
Млечный Путь входит в Местную группу галактик и через 4–5 миллиардов лет столкнется и сольется с галактикой Андромеды — это столкновение уже давно прогнозируют астрономы.
“Предположительно столкновение не представляет опасности для Солнечной системы или жизни на Земле: расстояния между звездами на порядки больше размеров звезд, так что прямые столкновения невозможны. Солнечная система просто сменит орбиту, — говорит Юрий Иванов. — С вероятностью 50% Солнечную систему выбросит на периферию новой эллиптической галактики. 12% — Солнечная система становится межгалактическим странником, это не катастрофа. Однако к тому времени(4–5 млрд лет), планета Земля видоизменится по причине того, что Солнце станет красным гигантом. Океаны испарятся, атмосфера улетучится, поверхность расплавится. Для Солнечной системы в целом же произойдет гравитационное перемешивание без физических столкновений. Риск нулевой. Тут нужно добавить важную деталь: если человечеству удастся в ближайшие 50-100 лет создать новый тип космических двигателей, работающих на электромагнитной тяге, разработкой которых мы сейчас успешно занимаемся, то к тому времени у нас не будет особых проблем. На определенном опасном этапе человечество сможет просто покинуть Солнечную систему и устремиться в другую более подходящую для жизни звездную систему. Это не фантастика, а вполне реально в ближайшем будущем”.
Формирование и эволюция галактик
Галактики возникли из первичных флуктуаций плотности вещества после Большого взрыва. Там, где плотность была чуть выше средней, гравитация начала стягивать газ в облака, из которых формировались первые звезды и протогалактики.
Ключевую роль в формировании галактик играла темная материя: ее сгустки образовали гравитационные "колодцы", в которые стекало обычное вещество.
Галактики не статичны: они взаимодействуют, поглощают друг друга, меняют форму. Столкновения и слияния — один из главных двигателей эволюции. При слиянии двух спиральных галактик зачастую образуется эллиптическая, именно этим объясняется преобладание эллиптических гигантов в центрах крупных скоплений.
“Механизм слияния галактик с точки зрения звезд динамически достаточно консервативен. Среднее расстояние между звездами составляет около 1 светового года. Размеры звезд на порядки меньше. При слиянии, галактики проходят друг сквозь друга без прямых столкновений звезд, — объясняет Юрий Иванов. — Ближайшая галактика искажает гравитационный потенциал, изменяя орбиты. Упорядоченное вращение диска переходит в хаотическое. Звезды как бы забывают исходные орбиты, заполняя новую фазовую область. Газовые облака сжимаются ударными волнами, теряют устойчивость, коллапсируют в звезды. Газ истощается, эволюция затухает. В результате слияния галактик звезды перемешиваются гравитационно, но при этом не сталкиваясь физически. Возникает новая галактическая структура при термодинамическом равновесии в объединенном потенциале”.
По мере расходования газа на звездообразование галактики "стареют": переходят из "голубого облака" активного роста в "красную последовательность" пассивных систем. Этот процесс астрономы называют квенчингом (quenching) — гашением звездообразования.
Телескоп Джеймс Уэбб открыл галактики с развитыми дисками и высокой светимостью уже через 500–700 миллионов лет после Большого взрыва. В частности, галактика JADES-GS-z14-0, обнаруженная в 2024 году, существовала, когда Вселенной было около 290 миллионов лет — на тот момент это самая далекая из подтвержденных галактик.
Самые старые известные галактики сформировались через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва (13,8 млрд лет назад). Возраст Млечного Пути оценивается в 13,6 млрд лет, он один из старейших объектов Вселенной. Большинство его звезд в гало образовались в первые несколько миллиардов лет после Большого взрыва.
Известные галактики Вселенной
- Галактика Андромеды
Галактика Андромеды (M31) — ближайшая к нам крупная галактика и самый далекий объект, видимый невооруженным глазом. Расстояние до нее — около 2,537 миллиона световых лет. Андромеда крупнее Млечного Пути: ее диаметр достигает 220 000 световых лет, а число звезд оценивается в 1 триллион. Она движется навстречу Млечному Пути со скоростью около 110 км/с и через 4–5 миллиардов лет столкнется с нашей галактикой. Результатом слияния станет гигантская эллиптическая галактика, которую астрономы уже назвали "Милкомеда".
- Магеллановы Облака
Большое и Малое Магеллановы Облака — карликовые галактики-спутники Млечного Пути, видимые с Южного полушария невооруженным глазом. Большое Магелланово Облако находится на расстоянии около 160 000 световых лет, Малое — около 200 000 световых лет. Оба объекта классифицируются как неправильные галактики, хотя в Большом Магеллановом Облаке прослеживается слабая барная структура. В 1987 году в нем была зафиксирована ближайшая к нам за последние столетия сверхновая — SN 1987A.
- Галактика Треугольника
Галактика Треугольника (M33) — третья по величине галактика Местной группы после Андромеды и Млечного Пути. Расстояние — около 2,73 миллиона световых лет, диаметр — около 60 000 световых лет, число звезд — порядка 40 миллиардов. Это наиболее удаленный объект, который можно увидеть невооруженным глазом при идеальных условиях наблюдения. Галактика активно формирует новые звезды и является спутником Андромеды.
- Галактика Сомбреро
Галактика Сомбреро (M104) расположена на расстоянии около 31 миллиона световых лет в созвездии Девы. Получила свое название за характерную форму: широкий плоский диск с выраженной темной полосой пыли и большой центральный балдж создают силуэт, напоминающий мексиканскую шляпу. Сомбреро отличается необычно массивным балджем и очень яркой центральной областью. В ее ядре находится черная дыра массой около миллиарда солнечных масс.
- Галактики Антенны
Галактики Антенны (NGC 4038 и NGC 4039) — пара взаимодействующих галактик в созвездии Ворона, удаленных от нас примерно на 45–65 миллионов световых лет. Находятся в процессе слияния, начавшегося около 1,2 миллиарда лет назад. Длинные изогнутые "антенны" из звезд и газа, выброшенные приливными силами, дали им название. Столкновение спровоцировало интенсивное звездообразование: в галактиках обнаружены тысячи молодых массивных звездных скоплений. Это один из ближайших наглядных примеров слияния галактик.
- Самая большая галактика IC 1101
IC 1101 — крупнейшая из известных галактик. Это гигантская эллиптическая галактика, расположенная в центре скопления Абелль 2029 на расстоянии около 1,04 миллиарда световых лет.
Для сравнения: диаметр IC 1101 примерно в 50 раз превышает диаметр Млечного Пути. Если бы IC 1101 занимала место нашей галактики, ее края достигали бы галактики Андромеды и далеко за нее.
Галактические скопления и группы
Галактики не разбросаны равномерно по Вселенной — они образуют иерархические структуры.
- Местная группа — скопление, в которое входят Млечный Путь, Андромеда, Треугольника и более 80 карликовых галактик. Диаметр Местной группы — около 10 миллионов световых лет.
- Скопления галактик — более крупные структуры, содержащие от сотен до тысяч галактик, удерживаемых общей гравитацией и рентгеновски горячим межгалактическим газом. Ближайшее крупное скопление — скопление Девы на расстоянии около 54 миллионов световых лет, содержащее более 1 300 галактик.
- Сверхскопления — объединения скоплений и групп. Местная группа входит в сверхскопление Ланиакея, открытое в 2014 году. Его диаметр — около 520 миллионов световых лет, масса — около 10¹⁷ масс Солнца, и оно содержит около 100 000 галактик.
- Войды и нити — на крупнейших масштабах галактики образуют "космическую паутину": нити и листы скоплений, между которыми находятся гигантские пустые области — войды. Крупнейший известный войд — Войд Волопаса диаметром около 330 миллионов световых лет.
“Мы на 100% не знаем, что такое войды. Мы строим предположения и гипотезы о войдах на основе наших дистанционных наблюдений, расчетов, математических моделей и т.д. На данный момент можно сказать, что предположительно войды не пусты, но содержат крайне разреженную среду, невидимую в оптическом спектре наблюдения, — объясняет Юрий Иванов. — Предположительно в состав войдов входят барионная материя (межгалактический газ и тяжелые элементы от выбросов галактик) и невидимые компоненты, в том числе темная материя, темная энергия, реликтовое излучение, слабые магнитные поля. Получается, что пустота войдов относительна, предположительно войды содержат около 50% всей барионной материи Вселенной, но ее плотность на 4–5 порядков ниже чем в галактиках”.
Наблюдение и изучение галактик
На протяжении большей части истории галактики принимали за туманности внутри Млечного Пути. Лишь в 1924 году Хаббл, измерив расстояние до Туманности Андромеды, доказал, что она находится далеко за пределами нашей галактики.
Сегодня галактики изучаются с помощью разнообразных инструментов:
Запуск телескопа Джеймс Уэбб совершил настоящую революцию в изучении ранней Вселенной. За первые два года работы он обнаружил зрелые галактики с развитыми структурами в эпоху, когда Вселенной было менее 700 миллионов лет, — что потребовало пересмотра ряда моделей галактической эволюции.
Будущее наблюдательной астрономии галактик — за Чрезвычайно большим телескопом (ELT) с зеркалом диаметром 39 метров, строящимся в Чили, и космической обсерваторией Нэнси Грейс Роман, запуск которой запланирован на 2027 год. Эти инструменты позволят картировать распределение галактик на беспрецедентных масштабах и заглянуть еще глубже в раннюю Вселенную.
“Широкоугольный обзор телескопа позволит измерить позиции и красные смещения сотен миллионов галактик и спектры. Это позволит проследить рост структуры в 3D от ранней Вселенной до наших дней и на порядок улучшить ограничения на уравнение состояния темной энергии и возможные отклонения от общей относительности, — уверен Юрий Иванов. — Нэнси Грейс Роман с полем зрения в 100+ раз больше Хаббла сможет за время миссии измерить свет от миллиарда галактик, включая очень далекие, при этом с хаббловским разрешением в ИК‑диапазоне. По этим данным будут строить статистику морфологий, масс, звездных популяций, звездных вспышек и среды вокруг галактик на разных эпохах, что сильно уточнит сценарии роста галактик и их темно‑матерных гало”
Источники
3.NASA — Взвешивание Млечного Пути (Hubble)
7.NASA Science — Андромеда (Hubble)
10. HubbleSite — Морфология галактик
12. webb.nasa.gov
14. NRAO — VLA/ALMA
15. SDSS — Sloan Digital Sky Survey