Спиральные галактики

В 1845 г. английский астроном лорд Росс (Уильям Парсонс) с помощью телескопа со 180-сантиметровым металлическим зеркалом обнаружил целый класс «спиральных туманностей», самым ярким примером которых явилась туманность в созвездии Гончих Псов (М 51 по каталогу Ш. Мессье).
Природа этих туманностей была установлена лишь в первой половине XX столетия. В то время интенсивно проводились исследования по определению размеров нашей Галактики — Млечного Пути — и расстояний до некоторых туманностей, которые удалось разложить на звёзды. Выводы были противоречивы как в оценках расстояний до туманностей, так и в определении масштабов Галактики. Одни исследователи выносили звёздные туманности далеко за пределы нашей Галактики и называли их «островными вселенными», другие (и таких было большинство), наоборот, включали эти туманности в состав Млечного Пути.
Всё встало на свои места, когда в 20-х гг. в ближайших спиральных туманностях были обнаружены цефеиды, позволившие оценить расстояния до них.
Ещё в 1908 г. астроном Гарвардской обсерватории (США) Генриетта Ливитт обнаружила зависимость между периодом изменения блеска переменных звёзд класса цефеид и их светимостью. Это давало возможность по величине периода узнать светимость звезды, по светимости — расстояние до неё, а следовательно, и до той звёздной системы, куда она входит. Этот метод позволил определить расстояние до туманности Андромеды в 900 тыс. световых лет. Такая оценка оказалась заниженной. Уточнение шкалы расстояний цефеид в 1952 г. удвоило все межгалактические расстояния. При новой шкале размеры ближайших спиральных туманностей стали сопоставимы с размерами Млечного Пути, а иногда и превышали их. Тем самым были получены последние доказательства того, что спиральные туманности — это огромные звёздные системы, сравнимые с нашей Галактикой и удалённые от неё на миллионы световых лет. С тех пор их и стали называть галактиками.
Простой взгляд на фотографию спиральной галактики вызывает восхищение и удивление: каким образом может возникнуть такая система звёзд? Какая сила собирает и удерживает звёзды в спиральных ветвях? Почему самые яркие, массивные, а значит, короткоживущие звёзды находятся в спиральных ветвях, а между ветвями — в основном слабые, долго прожившие звёзды? Почему вид галактики напоминает чечевицу или два блюдца, приложенные краями друг к другу? Почему в центре галактик, наблюдаемых с ребра, видно шарообразное «вздутие» (балдж), образуемое маломассивными жёлтыми и красными звёздами?
Плоская, дискообразная форма объясняется вращением. Во время образования галактики центробежные силы препятствовали сжатию протогалактического облака или системы облаков газа в направлении, перпендикулярном оси вращения. В результате газ концентрировался к некоторой плоскости — так образовались вращающиеся диски спиральных галактик. Диск вращается не как единое твёрдое тело (например, колесо): период обращения звёзд по краям диска намного больше, чем во внутренних частях.
Немало усилий пришлось приложить астрономам, чтобы понять причину других наблюдаемых свойств спиральных галактик Заметный вклад в исследование их природы внесла отечественная наука. Вот как представляют себе природу спиральных ветвей галактик в наши дни.
Все звёзды, населяющие галактику, гравитационно взаимодействуют, в результате чего создаётся общее гравитационное поле галактики. Известно несколько причин, по которым при вращении массивного диска возникают регулярные уплотнения вещества, распространяющиеся подобно волнам на поверхности воды. В галактиках они имеют форму спиралей, что связано с характером вращения диска. В спиральных ветвях наблюдается повышение плотности как звёзд, так и межзвёздного вещества — пыли и газа. Повышенная плотность газа ускоряет образование и последующее сжатие газовых облаков и тем самым стимулирует рождение новых звёзд. Поэтому спиральные ветви являются местом интенсивного звездообразования.
Спиральные ветви — это волны плотности, бегущие по вращающемуся диску. Поэтому через некоторое время звезда, родившаяся в спирали, оказывается вне её. У самых ярких и массивных звёзд очень короткий срок жизни, они сгорают, не успев покинуть спиральную ветвь. Менее массивные звёзды живут долго и доживают свой век в межспиральном пространстве диска.
Маломассивные жёлтые и красные звёзды, составляющие балдж, намного старше звёзд, концентрирующихся в спиральных ветвях. Эти звёзды родились ещё до того, как сформировался галактический диск. Возникнув в центре протогалактиче-ского облака, они уже не могли быть вовлечены в сжатие к плоскости галактики и потому образуют шарообразную структуру.
На фотографии поразительной по красоте галактики М 51, называемой Водоворотом, видна на конце одной из спиральных ветвей небольшая галактика-спутник. Она обращается вокруг материнской галактики. Удалось построить компьютерную модель образования этой системы. Предполагается, что маленькая галактика, пролетая вблизи большой, привела к сильным гравитационным (приливным) возмущениям её диска. В результате в диске большой галактики создаётся волна плотности спиральной формы. Звёзды, рождающиеся в спиральных ветвях, делают эти ветви яркими и чёткими.
Балдж и диск галактики погружены в массивное гало. Некоторые исследователи предполагают, что основная масса гало заключена не в звёздах, а в несветящемся (скрытом) веществе, состоящем либо из тел с массой, промежуточной между массами звёзд и планет, либо из элементарных частиц, существование которых предсказывают теоретики, но которые ещё предстоит открыть. Проблема природы этого вещества — скрытой массы — сейчас занимает умы многих учёных, и её решение может дать ключ к природе вещества во Вселенной в целом.