Галактики. Большой путеводитель по Вселенной - Джеймс Гич

NGC 1316 – это загрязненная пылью эллиптическая галактика. Она входит в состав относительно близкого скопления галактик Печи. Считается, что пыль в этой галактике представляет собой измельченные остатки спиральных галактик, которые слились и сформировали эту систему

NGC 5011b и NGC 5011c – примеры большого разнообразия типов галактик. С одной стороны, у нас есть яркая линзовидная галактика с краями, пылающая светом миллиардов звезд и четко демонстрирующая выступающий диск и структуру балджа. С другой, мы видим относительно свободную сфероидальную коллекцию голубоватых звезд с довольно низким уровнем поверхностной яркости. Эти две галактики, находясь на одном участке неба, разделены огромным расстоянием: карликовая галактика слева довольно близка к нам, тогда как вторая находится в скоплении галактик Центавра на расстоянии около 50 млн пк

Мой любимый пример – галактика Центавр A, знакомая вам по однометровой модели куба Местной группы. Если посмотреть на ее изображение, полученное с помощью оптического света, то галактика выглядит вполне стандартной эллиптической (за исключением довольно внушительной полосы пыли). Но стоит сделать снимок с помощью радиотелескопа – и получится совершенно другая картина: вы не увидите звезд (они не являются сильными радиоизлучателями), зато сможете наблюдать две струи, исходящие из ядра и вырывающиеся из галактики, расцветающие в гигантские лепестки радиоизлучения при попадании в межгалактическое пространство, для которого характерно низкое давление. Рентгеновские наблюдения, проводимые обсерваторией «Чандра», также показывают высокоэнергетическое излучение, связанное со струями, в особенности горячий газ, который «шокирован» до высоких температур при выбросе струй в межзвездную и окологалактическую среды. Не имея возможности увидеть галактику Центавр A на других длинах волн света, особенно на радиоволнах, мы были бы лишены многих знаний в области замечательной астрофизики, связанной с функционированием центральной сверхмассивной черной дыры.

На снимке – иррегулярная карликовая галактика Барнард в Местной группе Млечного Пути. Это наш галактический сосед. Карликовые галактики гораздо менее массивны, чем Млечный Путь, и часто представляют собой аморфные скопления звезд и газа, иногда примыкающие к более массивным системам. На этом изображении можно увидеть несколько красных розеток светящегося водорода – сигнатуры активных областей звездообразования в галактике

Это звездное пятно – карликовая галактика в созвездии Печи, спутник Млечного Пути с малой массой. Хотя многие карликовые галактики отличаются неправильной формой, эта классифицируется как сфероидальный карлик, так как морфологически звезды в нем довольно круглые и правильные

Обследования больших участков неба на радиочастотах довольно распространены и представляют совершенно иной взгляд на Вселенную. Галактики, которые испускают струи, такие как Центавр А – совсем не редкость (просто из-за близкого расположения получить ее детальные снимки очень легко), так что по радиоизлучению можно обнаружить и многие другие. Помимо систем с активными ядрами, галактики, которые активно формируют звезды, также являются мощным источником излучения радиоволн. Причина радиоизлучения – ускорение частиц и их взаимодействие с магнитными полями, с которыми связаны все галактики. В этих звездообразующих галактиках ускорение возникает не от черной дыры, а от взрыва сверхновых, мощно отталкивающих электроны и разгоняющих их через межзвездную среду вплоть до значительной доли скорости света. Электроны из остатков сверхновых встречаются и в галактике, испускающей своего рода непрерывное излучение, которое называется синхротронным. Таким образом, обнаруживая радиоизлучающие галактики, мы видим активно растущие системы. Зачастую это выгодно для нас, потому что радиоизлучение не подвержено поглощению межзвездной пылью, в отличие от видимого света. Это позволяет найти популяцию активных, но затененных пылью галактик, заметить которые в ходе традиционного визуального наблюдения невозможно.

Некоторые сверхмассивные черные дыры в центрах галактик сейчас активны, другие – нет, но все они должны были как-то сформироваться, а значит, каждая из них должна была пройти через определенные фазы роста. Когда астрономы начали изучать свойства этих черных дыр и их связь с галактикой-хозяином, то выявили интересную корреляцию, приоткрывшую увлекательную часть истории формирования галактик. Составляя диаграмму массы центральной черной дыры, которая может быть измерена спектроскопически с помощью другого метода распределения скорости по отношению к массе звезд в окружающем балдже, астрономы выявили очевидную зависимость: чем больше балдж, тем больше черная дыра.

Радионаблюдения могут выявить замечательные вещи. На этом комбинированном изображении в радиоволнах (пурпурным) и оптическом свете радиогалактика Геркулес А раскрывается во всей своей красе. Центральная эллиптическая галактика содержит активную сверхмассивную черную дыру, которая питается за счет аккреции нового вещества – газа, пыли и звезд. Этот процесс порождает мощные струи радиоизлучения, вырывающиеся из галактики во внегалактическое пространство. Подобно струе дыма, радиоизлучение в итоге развеивается на большом галактическом расстоянии. Подобные радиоисточники относятся к самым мощным галактикам во Вселенной и играют важную роль в истории эволюции галактик, поскольку энергия, которую они накапливают в галактике-хозяине и локальной галактической среде, может модифицировать историю образования звезд в галактиках в ходе процесса обратной связи

В какой-то степени это неудивительно: как часто говорят астрономы, «большие вещи остаются большими». Но удивительна здесь именно разница в физических масштабах, участвующих в процессе. Сверхмассивная черная дыра и сфера ее влияния в миллионы раз меньше размеров окружающего балджа – как муха меньше собора, в который она залетела. Проще говоря, как черная дыра в центре балджа «знает», что она должна быть большой, если балдж большой? Если размер центральной черной дыры и размер балджа как-то физически связаны, то какой процесс может контролировать рост этих двух элементов так, чтобы они составляли тандем? Если такой процесс существует, то это основополагающий закон эволюции галактик.

Ведущая теория говорит о том, что рост центральной черной дыры и звезд в балдже происходит примерно в одно время и что он связан механизмом, называемым обратной связью. Как и звездам, центральным черным дырам требуется материал, из которого они могут образовываться, то есть газ. Под действием силы тяжести он коллапсирует, образуя галактики и компактные объекты (газомолекулярные облака, звезды и др.), но гравитация – не единственная сила, действующая в процессе роста галактики. Черная дыра аккрецирует вещество, что может привести к выбросу энергии в виде интенсивного электромагнитного излучения и механических струй, которые пробиваются сквозь галактику. Эта энергия не просто исчезает во внегалактическом пространстве – она взаимодействует с тем, что встречает на своем пути. Поскольку центральные черные дыры погребены глубоко в галактике, набирается достаточно материала для взаимодействия поля ядерной радиации и создающихся струй и потоков.