Скопления галактик (Сергей Попов)

Когда мы пишем свой адрес, то вначале указываем страну, потом город, улицу, дом и так далее. Большие системы состоят из меньших: в состав страны входит множество городов, в городе много улиц, улица состоит из домов… Это простейший пример так называемой иерархической структуры. И таких примеров можно привести множество. Подобные структуры встречаются не только на Земле, но и в космосе. И если вы захотите написать своему другу письмо, находясь при этом где-нибудь на другом конце Вселенной, то в адрес вам придется включить название планеты (Земля), звезды (Солнце). А дальше? Оказывается, на этом все еще не заканчивается. Иерархическая структура продолжается.

Звезды могут образовывать двойные системы, входить в состав звездных скоплений или ассоциаций. Крупнейшими объединениями звезд являются звездные города — галактики. Но и сами галактики редко наблюдаются одиночными. Из числа ярких галактик более 90% входит или в состав групп галактик, содержащих лишь несколько членов, как, например, Местная группа (в ее состав входит наша Галактика, Туманность Андромеды, Магеллановы облака и другие близкие к нам галактики) или в состав скоплений галактик, содержащих от нескольких сотен до нескольких тысяч членов. Именно по количеству галактик группы отличаются от скоплений: скопления намного богаче.

Скопления галактик, подобно звездным скоплениям, делятся на два типа: регулярные (чем-то похожие на шаровые скопления) и иррегулярные (напоминающие рассеянные звездные скопления).

В регулярных скоплениях много эллиптических галактик и галактик типа S0 (это линзовидные галактики, попросту говоря нечто среднее между эллиптической и спиральной галактикой, хотя, конечно, на самом деде все намного сложнее), и в них почти нет спиральных и неправильных. В центре подобного скопления обычно находится одна или несколько гигантских эллиптических галактик с активными ядрами. Такие галактики обладают мощным радиоизлучением, поэтому многие регулярные скопления являются сильными радиоисточниками. В недрах центральной галактики находится мощный источник энергии. Он может выделять ее столько, сколько излучает вся галактика вместе взятая. Но, при этом сам источник имеет размеры и массу в тысячи раз меньше, чем галактика!

Регулярные скопления имеют практически сферическую форму и сильно концентрированы к центру. Хорошим примером такого объекта служит довольно близкое к нам скопление в созвездии Волосы Вероники. Оно находится на расстоянии примерно 400 млн. световых лет от нашей Галактики. В его центре расположена гигантская эллиптическая галактика NGC 4889.

Примером же иррегулярного скопления галактик является ближайшая к нам крупная «группировка» галактик в созвездии Девы. Местная группа галактик, в которую входит наша звездная система, расположена от нее на расстоянии около 60 млн. световых лет. В скоплениях подобного типа много спиральных галактик. Яркие, легко видимые даже в небольшие любительские телескопы, М61 и M100 — прекрасные образцы спиральных галактик в скоплении Девы.

Иррегулярные скопления содержат мало гигантских эллиптических галактик. Это объясняется тем, что в таких скоплениях реже происходят столкновения галактик, в результате которых могут рождаться подобные гигантские звездные системы. В регулярных же скоплениях ситуация несколько иная. В них существуют центральные галактики, содержащие до 10% массы всего скопления. Они могли набрать такую большую массу в результате «поедания» мелких галактик. Такое явление получило название галактического каннибализма.

При исследовании скоплений галактик в рентгеновском диапазоне с помощью приборов спутников «Ухуру» и «Ари-эль» было сделано интересное открытие: около трети регулярных скоплений и примерно десятая часть иррегулярных скоплений заполнены горячим газом, излучающим преимущественно в рентгеновском диапазоне.

Любое нагретое тело излучает электромагнитные волны, и чем больше температура тела, тем более коротковолновое излучение преобладает в его спектре. Газ в скоплениях имеет температуру более десяти миллионов градусов и поэтому излучает главным образом в рентгеновском диапазоне. Концентрация этого газа мала, около 1000 атомов водорода на 1 кубический метр, но общий объем его огромен. Поэтому полная масса газа сопоставима с массой всего видимого нами скопления!

С этим газом связано несколько нетривиальных проблем. Дело в том, что он имеет почти нормальный (солнечный) химический состав. Значит, это межгалактическое вещество уже побывало в термоядерной звездной «печке» и обогатилось тяжелыми элементами. Но когда это произошло? Астрономы предполагают, что значительная часть межгалактического газа в скоплениях была выброшена из галактик миллиарды лет назад, когда они были молодыми и в них шло бурное звездообразование.

Другой вопрос связан с проблемой скрытой массы. Как уже упоминалось, обнаруженный газ имеет чрезвычайно высокую температуру, поэтому, чтобы он не разлетелся и не покинул скопление, его должна удерживать большая сила тяготения. Но если она достаточно велика, то должна быть велика и масса ее создающая, то есть масса самого скопления.

Оценки массы вещества отдельных галактик показывают, что их суммарное гравитационное поле не может удерживать столь горячий газ. Значит должна существовать огромная масса невидимого нам вещества (это ни горячий газ, ни звезды галактик), которая своим гравитационным полем удерживала бы высокотемпературный газ. Но где эта масса?

Ранее с той же проблемой скрытой массы ученые столкнулись при объяснении устойчивости скоплений. Скорости движения галактик внутри скопления столь велики, что без все той же скрытой массы они просто разлетелись бы в разные стороны.

Проблема скрытой массы имеет огромное значение для космологии. Ведь получается, что наша Вселенная, а космология изучает всего один объект — Вселенную как целое, состоит не только из наблюдаемого нами вещества, но и из скрытого, то есть невидимого. А что оно из себя представляет, где и в чем сосредоточено? На эти вопросы ответов пока не найдено.

Изучение скоплений галактик вообще тесно переплетено с космологическими проблемами. Особую роль в этом играет то обстоятельство, что скопления (а их сейчас известно около 10000) объединены в более крупные системы, формируя, таким образом, крупномасштабную структуру Вселенной. Иерархическая структура не обрывается на скоплениях галактик. Она продолжается дальше и адрес еще не дописан, но осталось уже немного. А закончить его следовало бы так: наша Вселенная.

Об авторе: Попов Сергей Борисович — кандидат физ.-мат. наук, сотрудник ГАИШ. Эта рецензия была опубликована в июльском номере журнала «Звездочет» за 1995 год.