Какие есть галактики: Другие галактики: виды, столкновения и поразительные фотографии

Содержание

Сверхрассеянные галактики формируются из обычных под действием лобового обдирания

Сверхрассеянные галактики были открыты совсем недавно — около 30 лет назад. Это довольно крупные галактики, в которых очень мало звезд: размером они в среднем с наш Млечный Путь, а звезд в них раз в 100 меньше. Из-за этого они тусклые и до недавнего времени их толком невозможно было наблюдать. Современная техника позволяет изучать эти уникальные космические объекты, поэтому сейчас сверхрассеянные галактики привлекают повышенное внимание астрономов. С ростом числа примеров стало понятно, что сверхрассеянные галактики не вписываются в существующие сценарии эволюции галактик: не было ясно, откуда они берутся, и что с ними происходит в дальнейшем. В недавней работе международной группе астрономов, в которую входят и сотрудники ГАИШ им. П. К. Штернберга МГУ, удалось ответить на эти вопросы. Авторы смогли идентифицировать 16 галактик, которые подходят на роль предков сверхрассеянных галактик и карликовых эллиптических галактик. Оказалось, что изначально это были обычные галактики, которые попали в галактические скопления. В результате взаимодействия с межгалактической плазмой — так называемого лобового обдирания — они лишились большей части своего газа, то есть остались без материала для формирования новых звезд. Эти наблюдения позволили построить модель, которая полностью описывает жизненный путь сверхрассеянных галактик.

Как-то в одной школе ученики выпустили поросят с нарисованными на спинах номерами 1, 2 и 4. Поймав этих троих, учителя еще долго искали несуществующего поросенка под номером 3. Байка о таком розыгрыше давно бродит по интернету (есть свидетельства, что кто-то пытался претворить его в жизнь). Розыгрыш построен на том, что люди чувствуют подвох, если в последовательности с известным шагом (здесь это ряд натуральных чисел) зияет явная дыра. И естественная реакция — либо найти недостающего поросенка, либо объяснить, почему его нет. Природа тоже иногда «разыгрывает» ученых, подкидывая им такие последовательности с пропавшими звеньями.

Например, астрономы хорошо знают, что звезды не любят летать поодиночке, а обычно собираются в группы (речь, конечно, о больших масштабах расстояний). Традиционно группы из десятков и сотен звезд называются рассеянными скоплениями, группы, в которых число звезд лежит в пределах от нескольких тысяч до нескольких миллионов, называются шаровыми скоплениями, а группы, в которых больше сотни миллионов звезд, — галактиками. Логично спросить: а где же группы с десятками миллионов звезд? (Корректнее, конечно, спрашивать про массу скопления, но сейчас это неважно.)

Длительное время примеров таких групп не было известно и перед астрономами стояла задача — нужно было либо их найти (как того поросенка), либо доказать, что таких групп во Вселенной существовать не может. Она решилась примерно за полвека: активные поиски привели к открытию как более массивных шаровых скоплений (было показано, что в скоплении Омега Центавра не менее десяти миллионов звезд), так и совсем небольших галактик (рекордсмен тут — карликовая галактика Segue 2, в которой всего полмиллиона звезд). В последнее время, кстати, такие галактики открывают и изучают очень активно (про одну из них рассказано в новости В центре ультракомпактной карликовой галактики найдена сверхмассивная черная дыра, «Элементы», 31.08.2018). То есть в данном случае дело было в недостаточной выборке и трудностях наблюдения: сверхмассивные звездные скопления очень редки, а маломассивные галактики очень тусклы. Провал, разделяющий скопления и галактики, исчез, но возникла новая проблема — как все-таки отличать эти типы объектов. Среди астрофизиков был устроен опрос, а потом вышла и статья о том, что же на самом деле определяет галактику (нужно учитывать множество дополнительных факторов: наличие темной материи, собственных галактик-спутников, неоднократные вспышки звездообразования и т. д.) и где нужно проводить границу между скоплениями и галактиками (D. A. Forbes, P. Kroupa, 2013. What Is a Galaxy? Cast Your Vote Here).

Похожая история и с черными дырами. Известно, что существуют черные дыры с массами до десяти солнечных. Они формируются в результате взрыва массивных звезд в конце их жизни. Существуют и сверхмассивные черные дыры c массами от ста тысяч солнечных, которые сидят в центре большинства галактик (см. Черная дыра галактики M87: портрет в интерьере, «Элементы», 14.04.2019). Но вот с промежуточными дырами, которые бы заняли собой зияющий провал масс в целых четыре порядка, до сих пор большие проблемы. Рождение отдельных черных дыр промежуточных масс находят гравитационно-волновыми детекторами (см. Зафиксирован гравитационно-волновой след от рождения черной дыры промежуточной массы, «Элементы», 07.09.2020), но вопрос, имеется ли сколько-нибудь значительное количество таких дыр сейчас и существовали ли они когда-нибудь в прошлом, остается открытым (ответ на него очень важен, например, для понимания механизмов формирования сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной).

Еще об одном из недостающих звеньев в непрерывной последовательности характеристик пойдет речь дальше.

Начать нужно с 1920-х годов, когда Эдвин Хаббл, фактически, увеличил для человечества размеры Вселенной в миллионы раз — он доказал, что она не ограничивается нашей Галактикой. Наблюдая за цефеидами в Туманности Андромеды, он определил, что она находится на расстоянии 2,5 млн световых лет от нас, — это слишком далеко, чтобы быть частью Млечного Пути. Значит, это другая галактика, и в ней горят такие же звезды, как и в нашей. Эти наблюдения Хаббл провел еще в 1924 году, но из-за того, что в научной среде у него было много критиков, сообщение об открытии сначала было опубликовано в газете The New York Times. В научном журнале статья появилась лишь в 1929 году (E. P. Hubble, 1929. A spiral nebula as a stellar system, Messier 31).

Вслед за Андромедой были «открыты» десятки других галактик. Оказалось, что астрономы давно видели их, но, не умея определять расстояния, считали эти «размытые облачка» туманностями, принадлежащими Млечному Пути. Чем больше галактик удавалось обнаружить, тем сильнее бросалось в глаза, какими разными они бывают (астрономы говорят о разной морфологии). Конечно же, интересно было выяснить, сколько вообще есть различных типов и почему галактики такие разные?

Первый шаг в изучении новых объектов (любой природы) — это классификация. Первую классификацию галактик предложил все тот же Эдвин Хаббл, разделив галактики на три типа: эллиптические (похожие на вытянутое яйцо, без внутренних особенностей), спиральные (есть хорошо видные спиральные рукава, закрученные вокруг центральной части) и линзовидные (промежуточный тип). Он же остроумно предложил свой вариант эволюции: галактики изначально формируются в виде эллиптических облаков, их структура со временем усложняется, появляется плоский галактический диск и в некоторых случаях выделяются спирали, механизм образования которых был тогда еще не ясен.

Довольно скоро стало понятно, что хотя классификация с точки зрения морфологии галактик получилась очень удачной, в ее интерпретации Хаббл не прав. Выяснилось, что в эллиптических галактиках в основном находятся старые звезды, в то время как в спиральных есть много молодых звезд. Значит, эллиптические галактики никак не могли быть предками спиральных. Кроме того, со временем было открыто множество галактик, непохожих ни на спиральные, ни на эллиптические, — их тоже надо было как-то встроить в более общую морфологическую классификацию.

Развитие наблюдательной техники позволило узнать о галактиках много нового: их спектр, излучение в радио- или рентгеновском диапазонах, а в самых близких галактиках — даже увидеть отдельные звезды. Так постепенно линейная теория эволюции, предложенная Хабблом и основанная только на морфологии, сменилась более сложной, в которой галактики взаимодействуют друг с другом, с плазмой, с падающим на них межгалактическим газом и действующим в них самих активных ядрах (подробнее про современные представления об эволюции галактик рассказано в новости Что мы узнали об эволюции галактик за последние 20 лет, «Элементы», 17.08.2018). При этом одномерная классификация уступила место многомерным пространствам характеристик, в которых множество известных галактик более-менее равномерно распределяется по доступным координатам, таким как звездная или полная масса, возраст, размер, металличность, масса и активность сверхмассивной черной дыры, темп звездообразования, цвет, сила эмиссионных линий в спектре, и т. д.

Приведем несколько примеров таких распределений.

На рис. 2 показана «Основная последовательность» звездообразующих галактик, в которой они располагаются в зависимости от своей звездной массы и скорости звездообразования. Линейные зависимости (разные для разных типов галактик) протянулись из нижнего левого угла в правый верхний. Вероятность найти одинокую галактику в пустых углах графика исчезающе мала.

Фундаментальная плоскость эллиптических галактик (рис. 3), связывает уже три параметра: эффективный радиус галактики, ее поверхностную яркость и дисперсию скоростей звезд в ней. Эта плоскость, опять же, показывает, что существует закономерность: чем галактика больше, тем она ярче и тем хаотичнее движутся звезды в ней. Трудно найти галактику, которая будет лежать далеко от этой плоскости, и наоборот, если вы нашли новую эллиптическую галактику, то скорее всего уже известны сотни других галактик, похожих на нее.

На BPT-диаграмме (BPT diagram), которая названа по первым буквам фамилий предложивших ее астрономов (J. A. Baldwin, M. M. Phillips, R. Terlevich, 1981. Classification parameters for the emission-line spectra of extragalactic objects), галактики распределяются по силе своих эмиссионных линий (рис. 4). Это позволяет отделить «тихие» галактики от галактик с активными ядрами, в которых основной вклад в яркость дает сверхмассивная черная дыра в центре.

Все эти разные графики схожи в одном — распределения непрерывны, то есть в них нет совсем уж обособленных областей, в которых сидели бы, как на острове, какие-то совсем уж уникальные галактики. И тут мы возвращаемся к нашим «поросятам». Если такие «изгои» будут обнаружены, то каждый занимающийся галактиками астроном захочет сделать две вещи: во-первых, — как-то заполнить ведущий к ним провал (найдя недостающие промежуточные галактики, которые перекинут мостик от одной группы к другой), во-вторых, — понять, как эти галактики туда попали (были ли они с самого начала уникальными и всегда отличались от своих собратьев, либо какие- то процессы сильно изменили их на ранней стадии, выкинув их на обочину области параметров).

Сверхрассеянные галактики (ultra diﬀuse galaxy, UDG) были именно такими «изгоями». Только недавно удалось пролить свет на их историю и связать UDG с обычными галактиками. Сверхрассеянные галактики обнаружили всего 30 лет назад. Это довольно крупные галактики размером с наш Млечный Путь, но в них в сто раз меньше звезд. Хотя сейчас таких галактик известно несколько сотен, их «генеалогия» изучена очень плохо — они не вписываются в достаточно стройную картину галактической эволюции. Их изучением занимаются в том числе астрономы ГАИШ МГУ (см. В центре ультракомпактной карликовой галактики найдена сверхмассивная черная дыра, «Элементы», 31.08.2018).

Следует отметить, что совершенствование телескопов и техники наблюдений в последние десятилетия привело к открытию совершенно новых типов галактик, которые раньше были либо вообще невидимы (вроде UDG), либо их полные размеры были неправильно измерены (например, гигантские галактики низкой поверхностной яркости, по своим размерам и массе значительно превосходящие Млечный Путь, см. Гигантские галактики низкой яркости формируются за счет вещества своих компаньонов?, «Элементы», 21.04.2021). Это еще раз говорит о важности построения общей эволюционной картины для галактик.

Несмотря на всё разнообразие красивых названий типов галактик, часть из которых использована в этой статье (сверхрассеянные, эллиптические, карликовые эллиптические, галактики-медузы, дисковые, линзовидные), а еще большая часть не использована (сейфертовские, лаймановского скачка, карликовые сфероидальные, квазары, блазары, с противовращением, с полярным кольцом, неправильные и т. д.), нужно помнить, что все эти названия зачастую условны. Появлялись они во многом в силу исторических причин по мере открытия и нужны ученым для того, чтобы разобраться в непрерывном «пространстве» галактик, где один класс плавно перетекает в другой, а некоторые галактики даже могут принадлежать к нескольким типам одновременно.

Предполагалось, что UDG — это «неудавшиеся» галактики, которые начали формироваться в областях повышенной концентрации темной материи (по современным представлениям так формируются все галактики), но быстро растеряли весь газ. Если сильно упростить, то можно сказать, что зарождающаяся галактика состоит из двух компонентов — темной материи и газа, причем темная материя отвечает за размеры будущей галактики, а газ отвечает за количество звезд в ней. Такое предположение в первом приближении объясняло появление сверхрассеянных галактик, хотя никто не мог точно ответить на важный вопрос: а куда, собственно, делся газ?

Выдвигались разные гипотезы, основанные на механизмах, уже наблюдавшихся в других галактиках. Отсутствие больших запасов газа в UDG пытались объяснить и приливными гравитационными взаимодействиями между пролетающими парами галактик (J. E. Gunn, J. R. Gott III, 1972. On the Infall of Matter Into Clusters of Galaxies and Some Effects on Their Evolution), и при помощи звездных ветров, порожденных многочисленными вспышками сверхновых внутри галактики, которые вымели весь газ наружу (A. Dekel, J. Silk, 1986. The Origin of Dwarf Galaxies, Cold Dark Matter, and Biased Galaxy Formation), и через обдирание холодного газа горячей межгалактической плазмой, заполняющей пространство в скоплениях галактик (B. Moore et al., 1996. Galaxy harassment and the evolution of clusters of galaxies).

Ни один из этих процессов не наблюдался в UDG-галактиках напрямую, так что гипотезы оставались гипотезами, а сверхрассеянные галактики — загадочными галактиками. Однако была важная зацепка — подавляющее большинство сверхрассеянных галактик находятся не в изоляции, а принадлежат тому или иному скоплению галактик.

Наблюдательное исследование объектов в астрономии традиционно идет двумя путями: надо либо искать новые подобные объекты, либо более детально исследовать уже имеющиеся. И то, и другое в случае с UDG крайне затруднительно, ведь их поверхностная яркость (для протяженных объектов используется именно такая величина — это звездная величина, деленная на угловую площадь) меньше яркости ночного неба и поэтому изучение таких галактик требует долгих наблюдений на мощных телескопах, специальных алгоритмов обработки изображений и, конечно, некоторой удачи. Альтернативным и более многообещающим подходом кажется поиск потенциальных предков сверхрассеянных галактик. Но чтобы этот подход сработал, нужно, во-первых, научно обосновать, какие именно галактики следует считать предками, а во-вторых, эти предки должны легче обнаруживаться.

Именно этим путем пошла международная группа астрономов, куда в том числе входят сотрудники ГАИШ им. П. К. Штернберга Игорь Чилингарян, Антон Афанасьев, Иван Катков и Кирилл Гришин (студент на момент подачи статьи в журнал, он указан первым автором, то есть внес определяющий вклад в работу). Используя архивные данные оптического обзора SDSS, ученые нашли 11 галактик в скоплениях Волос Вероники и Abell 2147, сходных по размерам и поверхностной яркости с UDG, но с важным отличием: хотя в них и не было активного звездообразования, голубые цвета этих галактик свидетельствуют о большом количестве молодых, только недавно появившихся звезд. Значит звездобразование в этих 11 галактиках только закончилось.

Возникла гипотеза, что впервые удалось наблюдать предков UDG-галактик, и ее следовало проверить. Важная особенность, облегчившая работу: молодые звезды обычно яркие, а значит эти галактики проще наблюдать: на получение изображений сравнимого качества для галактики из выборки телескоп потратит примерно в 10 раз меньше времени по сравнению с классической UDG.

Первичный анализ данных показал, что у большинства из этих 11 галактик есть еще одна общая деталь. Летя сквозь скопление галактик, они оставляют за собой протяженный хвост, в котором как раз идет активное звездообразование. Такие «хвостатые» галактики были известны давно, для них даже придумали особое название: «галактики-медузы» (jellyfish galaxy).

Собрав все имеющиеся данные с разных телескопов — наземных и оптических, — которые наблюдали выбранные галактики, группа получила звездные величины каждой из них примерно в 10 различных фильтрах (от ближнего ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазона). Этого в принципе достаточно, чтобы прикинуть массу, возраст и динамику движения звезд в галактиках. Но для такой небольшой выборки настолько удаленных галактик (скопление Abell 2147 находится от нас в 330 млн св. лет, а скопление Волос Вероники — в 490 млн св. лет) хочется иметь более надежные сведения, поэтому часть галактик наблюдали на спектрографах, установленных на 6,5-метровом телескопе обсерватории MMT (Аризона, США) и 8-метровом телескопе Gemini North (Гавайи, США). Кроме того, авторам улыбнулась удача и они нашли в этих двух скоплениях еще пять галактик с похожими хвостами, которые также были добавлены в выборку. Эти пять галактик были слишком тусклыми, чтобы попасть в обзор SDSS, но авторы постарались использовать все доступные на сегодняшний день базы данных.

Сравнивая цвета (напомню, что речь не только про оптический диапазон, но и про ИК- и УФ-цвета) всех шестнадцати галактик, составляющих полную выборку, астрономы смогли во многом воссоздать их историю. Почти во всех галактиках звезды явно делятся на две группы: старые красные, сопоставимые по возрасту с самой галактикой, и новые голубые, появившиеся в результате мощной вспышки звездообразования. В каждой галактике вспышка как началась, так и закончилась очень резко, что говорит о каком-то едином событии, затронувшем всю галактику. Именно в этот короткий период (по астрономическим меркам) в них появилось в среднем около 30% всех звезд, на что ушло больше 60% свободного газа. Это лишило галактики большей части строительного материала для новых звезд (образование звезд — крайне неэффективный процесс в том смысле, что далеко не весь газ собирается в звезды, поэтому удаление половины газа из галактики может остановить этот процесс в принципе). Скорости движения звезд в этих галактиках свидетельствуют о высокой доле (от 70% до 95%) темной материи в их массе. Это больше обычной доли темной материи в галактиках, то есть они правда «задумывались» как полноценные галактики.

Что еще стало известно об их прошлом? Прекращение звездообразования скорее всего связано с лобовым давлением (см. Ram pressure, также используется термин «лобовое обдирание»). Суть этого эффекта такова. Когда молодая галактика влетает в скопление, часть газа в ней, сталкиваясь с межгалактической плазмой, уплотняется и сильно перемешивается. Это запускает мощную, но короткую вспышку звездообразования, а часть газа выметается, формируя тянущийся за галактикой хвост. Важен и угол, под которым галактика влетает в скопление: при движении прямо к его центру лобовое сопротивление плазмы очень сильно, газ выметается из галактики быстро и в итоге запускается лишь незначительное звездообразование и почти не формируется хвост. Такие галактики должны быть еще тусклее обычных UDG, что делает совсем призрачными шансы на их обнаружение нынешним поколением телескопов. Авторам удалось даже измерить градиент (плавное изменение) времени прекращения звездообразования в дисках галактик из выборки — он совпадал с направлением движения галактики в скоплении. То есть та сторона галактики, которая первой влетела в скопление и подверглась лобовому обдиранию, в среднем содержит более старые звезды, чем другая сторона.

А что можно сказать про будущее этих галактик? Используя численное моделирование, можно предсказать их судьбу. Астрономия хорошо разбирается в том, как эволюционирует звезда известной массы: более-менее надежно известны почти все ее характеристики от времени, которое требуется на формирование и запуск ядерной реакции в ядре, до цвета и размера на финальной стадии эволюции. Таким образом, если известны возраст и масса всех звезд в галактике, то можно построить точную модель, которая позволит взглянуть на галактику через год, миллион, миллиард и даже 10 миллиардов лет. Понятно, что даже в карликовой галактике около миллиарда звезд и каждую измерить невозможно, но данных, собранных авторами, оказалось достаточно, чтобы с неплохой точностью смоделировать будущее галактик из выборки.

Получилось, что в случае пассивной эволюции (догорание уже существующих звезд без образования новых и без столкновений с другими галактиками) за следующие 10 миллиардов лет часть темной материи будет утеряна при взаимодействии с более массивными галактиками скопления. А это раздует наши галактики на 25%. Произойдет это из-за того, что свойства темной материи отличаются от привычной нам барионной материи: гало темной материи одновременно и простирается дальше самых удаленных звёзд галактики, и сильнее сконцентрировано в ее центре. Говоря научным языком, гравитационный потенциал у темной материи более крутой чем у барионной. При этом темная материя своим тяготением увлекает за собой звезды, которые тоже сильнее концентрируются ближе к ядру галактики. Но если темной материи становится меньше, то гравитационный потенциал галактики выполаживается и звездам становится проще расползаться к ее окраинам. В результате звездная масса не изменяется, а поверхностная яркость падает. Также уменьшается дисперсия скоростей и даже звездная металличность (то есть процентное содержание элементов тяжелее водорода в звездах). Последнее выглядит контринтуитивно, но если сейчас большой вклад в общую металличность вносят появившиеся во время последней вспышки звездообразования молодые массивные звезды, то через 10 миллиардов лет от них не останется и следа и металличность будет в основном определяться старыми небольшими звездами с низкой металличностью, которые появились вместе с самой галактикой и для которых какие-то 10 миллиардов лет — не срок.

Если представить это изменение параметров галактик на графиках в классических координатах (например, описывающих закон Фабер — Джексона, рис. 8, слева), то будет видно, что эволюция со временем приведет семь из первичной выборки в 11 галактик в ту область, которую сейчас занимают UDG, а оставшиеся четыре — в область чуть более массивных и ярких карликовых эллиптических галактик.

Примечательный (и ни в коем случае не побочный) результат работы состоит в том, что и карликовые эллиптические галактики (dE), чья «генеалогия» тоже была не до конца ясна, вписались в общий эволюционный сценарий. Сама идея связи UDG- и dE-галактик не нова (C. J. Conselice, 2018. Ultra Diffuse Galaxies are a Subset of Cluster Dwarf Elliptical/Spheroidal Galaxies), но именно в обсуждаемой статье гипотеза была подтверждена наблюдательно. К какому конкретному типу станут принадлежать галактики, захваченные гравитацией скопления, зависит от их первоначальной массы: те, что полегче, станут UDG, те, что чуть массивнее — карликовыми эллиптическими.

Благодаря обсуждаемой работе мы теперь можем реконструировать весь жизненный цикл UDG-галактики (рис. 9). Она должна была появиться вне какого-либо скопления как обычная карликовая или просто маломассивная дисковая галактика (таких очень много) с неторопливым, достаточно постоянным темпом звездообразования (скажем, 10 звезд в год), которая под действием гравитации была притянута в скопление. При этом часть ее галактического газа уносится прочь лобовым обдиранием (из которого образуется галактический хвост, делающий галактику похожей на медузу), а часть под действием этого же обдирания начинает уплотняться и собираться в протозвезды, запуская вторую, самую мощную и последнюю вспышку звездообразования (до сотни новых звезд в год). Эта галактика имеет высокую тангенциальную скорость, то есть никогда не попадет в центр скопления, где ее могут разрушить приливные силы.

Со временем, когда галактика пройдет через все промежуточные стадии, какие-либо особенности ее морфологии (спирали, перемычки), если изначально и были, исчезнут, а новые звезды, если и будут формироваться, то намного реже, чем даже в Млечном Пути (сейчас в нашей Галактике формируется в среднем одна звезда в год). В результате галактика потускнеет и «распухнет», то есть ее звезды будут меньше концентрироваться в центре и расползутся по окраинам, где и продолжат неторопливо доживать свою жизнь. А ее саму астрономы с далекой планеты отнесут к редкому для них типу сверхрассеянных галактик.

Источник: Kirill A. Grishin, Igor V. Chilingarian, Anton V. Afanasiev, Daniel Fabricant, Ivan Yu. Katkov, Sean Moran & Masafumi Yagi. Transforming gas-rich low-mass disky galaxies into ultra-diffuse galaxies by ram pressure // Nature Astronomy. 2021. DOI: 10.1038/s41550-021-01470-5.

Марат Мусин

Галактики. Какие они бывают?

Классификация по размеру

По размеру галактики в норме можно разделить на большие и маленькие (сюрприз!). По причинам, связанным с особенностями ранних времен эволюции Вселенной, получилось так, что большие галактики в ранние времена росли, а маленькие — не росли. И даже уменьшались. Поэтому статистически между размерами больших и маленьких галактик существует достаточно заметный разрыв, малонаселенный и почти не заполненный.

Классификация по морфологии

По морфологии все галактики делятся на три большие группы: эллиптические (обозначаются индексом E), дисковидные (S) и неправильные (Irr). В группе дисковидных выделяют линзовидные и спиральные.

Более подробное деление: E — эллиптические галактики, имеют относительно равномерное распределение звезд без явно видимого и выраженного внешне ядра (на самом деле ядро в них есть. Даже — если удалиться в область тонкостей — ядра, причем несколько различных ядер, но об этом имеет смысл рассказать отдельно). В зависимости от эксцентриситета они имеют цифровые индексы от Е0 до Е7 (Е0 — сферические, далее цифра возрастает по мере роста отношения большой оси эллипса к малой). Их примерно 20 % от общего числа больших галактик. Классификация эллиптических галактик также заслуживает отдельного рассказа.

S0 — линзовидные галактики, как и все дисковидные галактики, имеют шарообразное гало (корону) из старых тусклых звезд и шаровых звездных скоплений, яркий диск, содержащий молодые звезды, газ и пыль, и балдж — сферическое или эллиптическое уплотнение в центре галактики. Иногда любят говорить, что балджи похожи на небольшую эллиптическую галактику, хотя по некоторым существенным признакам, связанным с происхождением, от эллиптических галактик балджи отличаются. В сущности, S0 — галактики, подобные спиральным, но без наблюдаемых рукавов. Их тоже среди больших галактик насчитывается достаточно много — почти 20 %.

Sa, Sb, Sc, Sd — спиральные галактики, состоящие из гало, балджа и диска, содержащего, в отличие от линзовидных, спиральные рукава. Буква показывает, насколько плотно расположены и закручены по диску рукава (наименее тесно расположенные — Sd, а Sa — соответственно, наоборот, наиболее тесно расположенные и многочисленные).

SBa, SBb, SBc, SBd — аналогичные предыдущим спиральные галактики с баром (перемычкой). Эти галактики отличаются тем, что у них центральный балдж в плоскости диска пересекается ярким баром (перемычкой), от концов которого отходят часто спиральные рукава. Наша галактика относится именно к этому типу.

Общее число спиральных галактик среди крупных — 55 %, большинство из них имеют бар. О рукавах и барах — тоже отдельный рассказ, потому что обычно в учебниках и многих популяризациях они описываются достаточно устаревшим образом.

Продолжение статьи читайте в мартовском номере журнала «Наука и техника» за 2021 год. Доступна как печатная, так и электронная версии журнала. Оформить подписку на журнал можно здесь.

В магазине на сайте также можно купить магниты, календари, постеры с авиацией, кораблями, сухопутной техникой.

Что такое галактика? | Живая наука

На этой фотографии, сделанной космическим телескопом Хаббла, видна величественная спиральная галактика UGC 2885, расположенная на расстоянии 232 миллиона световых лет в северном созвездии Персея.
(Изображение предоставлено НАСА, ЕКА и Б. Холверда (Университет Луисвилля))

Галактики представляют собой группы звезд и других космических объектов, удерживаемых вместе гравитацией . Во Вселенной насчитывается более 100 миллиардов галактик, каждая из которых представляет собой красивые структуры, которые можно увидеть на изображениях далекой Вселенной, сделанных телескопом.

«На самом базовом уровне вы можете думать о галактике как о наборе звезд, газа и темной материи , которые гравитационно связаны друг с другом», — сказала Дженна Сэмюэл, докторант астрофизики в Университете Нью-Йорка. Калифорния, Дэвис. «То, что мы представляем себе как типичную галактику, — это в основном яркая часть — звезды — которые встроены в гораздо больший ореол темной материи, который простирается намного дальше».

Различные части галактики постоянно взаимодействуют друг с другом, придавая галактике ее форму, сказал Сэмюэл Live Science. Темная материя обеспечивает большую часть массы, удерживая все вместе с помощью гравитации. Но звезды также формируют галактику — их тепло распространяется вокруг газа и пыли, а когда звезды умирают в захватывающих сверхновых, они разбрасывают материал вблизи и далеко.

«Галактика — это действительно развивающаяся единица всех этих компонентов, — сказал Сэмюэл.

Связанные: 15 самых странных галактик в нашей вселенной Они выглядят как яркая полоса на ночном небе, похожая на пролитое молоко, поэтому древние римляне называли ее Via Lactea 9.0004, что на латыни означает Млечный Путь.

Почти каждая известная галактика имеет в центре сверхмассивную черную дыру , которая также играет роль в определении характеристик галактики. По словам Сэмюэля, когда черная дыра питается окружающим газом и пылью, гравитационный зверь поглощает столько материала, что может подавить звездообразование. Газ и пыль, которые обычно идут на создание звезд, вместо этого попадают в пасть сверхмассивной черной дыры.

Огромные струи энергии часто выбрасываются из активно питающихся сверхмассивных черных дыр, добавил Сэмюэл. Эти струи могут нагревать окружающий материал, что также предотвращает разрушение материала и образование новых звезд.

Сверхмассивная черная дыра в центре нашей галактики Млечный Путь в данный момент не особенно активна. «Сейчас это пугающая фаза», — сказал Сэмюэл.

Какие существуют типы галактик?

Млечный Путь — спиральная галактика, что означает, что она плоская, большая и имеет несколько рукавов, которые спирально вращаются вокруг центральной выпуклости, — сказал Сэмюэл.

Спиральные галактики формируют звезды с умеренной скоростью и обычно имеют массу, подобную Млечному Пути. По словам Сэмюэля, если учесть все звезды, газ, пыль и темную материю, спиральная галактика примерно в 1 триллион раз больше массы Солнца.

Некоторые из любимых галактик Сэмюэля, которые она изучает в рамках своих исследований, — карликовые галактики. Они гораздо менее массивны, чем спиральные галактики, и у них отсутствует упорядоченная структура. «Они имеют неправильную форму — они выглядят как сферические капли», — сказал Сэмюэл.

Родственный: Почему галактики разной формы?

Большинство карликовых галактик вращаются вокруг более крупных галактик размером с Млечный Путь. По словам Сэмюэля, во многих карликовых галактиках происходит звездообразование. Как правило, они в 10-10 миллионов раз больше массы Солнца, согласно Технологический университет Суинберна в Мельбурне, Австралия.

Массивные эллиптические галактики — еще один тип галактик, которые намного больше Млечного Пути. «Они выглядят несколько сферическими, яйцевидными», — сказал Сэмюэл. «Их звезды станут старше, и галактика уже давно перестанет формировать новые звезды». По ее словам, эллиптические галактики — тяжеловесы, их масса часто составляет 100 триллионов или даже 1 квадриллон масс Солнца.

Фотография телескопа Хаббла карликовой галактики NGC 5477, расположенной в созвездии Большой Медведицы. (Изображение предоставлено НАСА Годдард)

Какие галактики ближе всего к нам?

Одна из самых близких известных галактик к Млечному Пути — это маленький компаньон, который вращается вокруг него, называемый Стрельцом, сказал Сэмюэл. Стрелец — карликовая неправильная галактика, расположенная на расстоянии около 70 000 световых лет от Земли, согласно НАСА .

«Стрелец находится так близко к Млечному Пути, что находится в процессе разрушения и слияния с ним», — сказал Сэмюэл, имея в виду, что ужасная гравитация нашей галактики разрывает меньшую сущность и поглощает ее компоненты.

Еще более близкая галактика под названием Canis Major Dwarf расположена всего в 25 000 световых лет от Земли, но она настолько разрушена Млечным Путем, что многие из ее звезд уже разбросаны по ночному небу, по данным Университета Суинберна. . В течение следующего миллиарда или около того лет Большой Пёс полностью сольётся с Млечным Путем.

Связанный: Камера темной энергии делает сверхдетальные изображения ближайших карликовых галактик

Многие другие галактики-спутники вращаются вокруг Млечного Пути, сказал Сэмюэл, так же, как планеты вокруг звезд. Двумя самыми известными галактиками-компаньонами являются Большое Магелланово Облако и Малое Магелланово Облако, которые видны с Земли только в Южном полушарии. Согласно НАСА , Большое Магелланово Облако находится на расстоянии 179 000 световых лет от Млечного Пути, а Малое Магелланово Облако — на расстоянии 210 000 световых лет. Однажды они тоже сольются с Млечным Путем.

Ближайшая к нам крупная галактика называется Андромеда или M31, и это большая спиральная галактика, расположенная примерно в 2,5 миллионах световых лет от нас, сказал Сэмюэл. Притягивающая сила гравитации сближает Млечный Путь и Андромеду, и исследования показывают, что они столкнутся примерно через 4,5 миллиарда лет9. 0003 Живая наука ранее сообщала о .

Как формируются галактики?

Большинству галактик миллиарды лет, сказал Сэмюэл. Никто точно не знает, когда были созданы первые галактики, но наблюдения телескопа показывают, что на раннем этапе существования Вселенной были только маленькие галактики карликового размера. Большие галактики, такие как Млечный Путь, и более массивные, чем он, образовались со временем из множества более мелких галактик, которые объединились.

Точное определение момента образования Млечного Пути — открытая область исследований, — сказал Сэмюэл. Недавние симуляции показывают, что наша галактика, вероятно, получила примерно половину своей нынешней массы в результате слияний около 7 миллиардов лет назад. «Именно тогда мы действительно видим что-то, что начинает выглядеть как Млечный Путь», — сказала она.

Связанный: Массивная дисковая галактика может изменить наше понимание того, как рождаются галактики

Массивные эллиптические формы образуются, когда несколько спиральных галактик собираются вместе. По словам Сэмюэля, астрономы в основном видят эти галактики в плотных областях космоса, где за время жизни Вселенной столкнулись многие галактики.

Сколько галактик?

Определение количества галактик в наблюдаемой Вселенной — еще одна активная область исследований. «Безопасный ответ состоит в том, что их, по крайней мере, сотни миллиардов», — сказал Сэмюэл.

Связанный: Ученые только что нанесли на карту 1 миллион новых галактик за 300 часов

Астрономы подсчитывают галактики, направляя телескоп на темный участок неба в течение длительного времени. Они подсчитывают галактики, которые могут видеть, а затем выясняют, сколько еще может существовать, исходя из возможностей своего телескопа, объяснил Сэмюэл. Но этот метод ограничен и неполный, а это означает, что галактик может быть гораздо больше, чем предсказывают ученые.

Дополнительные ресурсы

Вот как НАСА описывает галактики.
Просмотрите удивительные изображения галактик , сделанные космическим телескопом Хаббла.
Прочтите последние обновления телескопа Gaia Европейского космического агентства, который изучает нашу и другие галактики.

Адам Манн — независимый журналист с десятилетним стажем, специализирующийся на астрономии и физике. Он имеет степень бакалавра астрофизики Калифорнийского университета в Беркли. Его работы публиковались в New Yorker, New York Times, National Geographic, Wall Street Journal, Wired, Nature, Science и многих других изданиях. Он живет в Окленде, штат Калифорния, где любит кататься на велосипеде.

галактик: столкновения, типы и как они образуются

Если вы посмотрите в ночное небо в телескоп и увидите то, что видно невооруженным глазом, вы увидите много звезд, которые на самом деле являются самозванцами. Многие из этих светящихся точек на самом деле являются галактиками — скоплениями от миллионов до триллионов звезд. Галактики состоят из звезд, пыли и темной материи, удерживаемых вместе гравитацией.

Астрономы точно не знают, как образовались галактики. После Большого взрыва космос почти полностью состоял из водорода и гелия. Некоторые астрономы считают, что гравитация стянула пыль и газ вместе, чтобы сформировать отдельные звезды, и эти звезды сблизились в группы, которые в конечном итоге превратились в галактики. Другие считают, что массы будущих галактик сблизились до того, как внутри них были созданы звезды. Астрономы также совершенствуют свои методы измерения массы отдельных галактик, например, это исследование 2018 года, в котором использовались трехмерные движения нескольких галактик, чтобы лучше сузить массу Млечного Пути.

Солнце — одна из миллиардов звезд Галактики Млечный Путь. (Изображение предоставлено Калифорнийским технологическим институтом)

Открытие островных вселенных

В начале 1900-х годов многие астрономы считали, что вся Вселенная находится внутри нашей галактики Млечный Путь. Другие, такие как Харлоу Шепли, ученый и глава обсерватории Гарвардского колледжа, утверждали, что спиралевидные капли, которые считались пылью и газом, были отдельными, и называли их «островными вселенными».

Только в 1924 году Эдвин Хаббл определил несколько особых пульсирующих звезд, называемых переменными цефеидами, и понял, что они лежат за пределами известного диапазона Млечного Пути. Эти небесные объекты представляли собой совершенно уникальные скопления звезд, находящихся далеко за пределами нашей родной галактики.

После того, как Хаббл измерил расстояние до отдельных галактик, он продолжил измерение их доплеровского сдвига — сколько света от галактик было растянуто из-за их движения. Он определил, что галактики вокруг Млечного Пути удаляются от нас с огромной скоростью. Чем дальше галактики, тем быстрее они убегают. Благодаря этому он смог определить, что расширяется сама Вселенная, а годы спустя астрономы определили, что расширение ускоряется.

Характеристики галактик

Большинство галактик имеют черные дыры в своих центрах, которые могут производить огромное количество энергии, которую астрономы могут видеть на больших расстояниях. В некоторых случаях центральная черная дыра галактики чрезвычайно велика или активна даже в относительно небольших галактиках. Материал, вращающийся вокруг черной дыры, может быть ускорен ее струями наружу. Другие галактики могут содержать в своем ядре квазары — самые энергичные тела во Вселенной.

Галактики классифицируются по форме. Каждый тип имеет разные характеристики и разную историю эволюции.

У некоторых, например у Млечного Пути, есть рукава, спирально закрученные вокруг центра. Эти группы, известные как спиральные галактики, составляют большинство галактик, которые астрономы могут наблюдать. Газ и пыль в спиральной галактике вращаются вокруг центра со скоростью сотни миль в секунду, создавая форму вертушки. Некоторые из них, известные как «спирали с перемычкой», имеют в центре стержневую структуру, образованную пылью и газом, направленными в центр. Пыль и газ в спиральных галактиках постоянно подпитывают образование новых звезд.

Эллиптические галактики не имеют спиральных рукавов своих более ярких собратьев. Их внешний вид варьируется от круглого до очень вытянутого. В эллиптических галактиках меньше пыли, чем в их спиральных аналогах, поэтому процесс звездообразования почти закончился. Большинство их звезд старше. Хотя они составляют меньшую часть видимых галактик, астрономы считают, что более половины галактик во Вселенной имеют эллиптическую форму.

Оставшиеся 3 процента галактик во Вселенной известны как неправильные галактики. Они не круглые и не имеют спиральных рукавов, а их формам не хватает четкости. Гравитация других галактик часто влияла на них, растягивая или искривляя их. Столкновения или близкие отношения с другими галактиками также могут деформировать их форму.

Это изображение, полученное космическим телескопом Хаббла, показывает всю красоту ближайшей спиральной галактики M83 в виде мозаики из множества фотографий, склеенных вместе. Пурпурный и синий цвета обозначают области звездообразования. Также известная как Южная вертушка, M83 расположена в 15 миллионах световых лет от нас в созвездии Гидры. Изображение опубликовано в январе 2014 года. (Изображение предоставлено НАСА, ЕКА и группой наследия Хаббла (STScI/AURA))

Когда галактики сталкиваются

Галактики не плывут в космосе по отдельности, а группируются в группы, известные как скопления. Некоторые скопления большие, содержащие более тысячи галактик, в то время как другие намного меньше. Млечный Путь находится в скоплении, известном как Местная группа, в которое входит всего 50 галактик.

Время от времени галактики сталкиваются друг с другом, сливая вместе свои звезды и пыль. Это важный шаг в эволюции и росте многих галактик. В конце 2018 года астрономы опубликовали исследование, показывающее, как две сверхмассивные черные дыры врезаются друг в друга на последних стадиях галактического столкновения, что представляет собой первый раз, когда такая поздняя стадия столкновения галактик наблюдалась в действии.

Отдельные звезды обычно не сталкиваются при галактическом столкновении, но приток пыли и газа увеличивает скорость звездообразования. Млечный Путь столкнется с галактикой Андромеды примерно через 5 миллиардов лет, и столкновения происходили и в ее древнем прошлом; его характерная выпуклость могла образоваться после поглощения галактики в форме колбасы. Чтобы не отставать, галактика Андромеды, вероятно, также поглотила одного из ранних братьев и сестер Млечного Пути.

Новые исследования галактик

В последние годы астрономы отслеживали галактики и то, как их эволюция определяется темной материей, субстанцией, которую невозможно обнаружить с помощью традиционных телескопов. Считается, что темная материя и темная энергия вместе составляют большую часть массы и энергии Вселенной, но их существование трудно доказать, потому что мы можем видеть их только через их воздействие на более обычные объекты, такие как галактики.

В 2017 году астрономы обнаружили две огромные галактики из древней Вселенной, которые образовались в море темной материи. Необычайно большой размер галактик заставляет ученых задуматься о том, росли ли они со временем постепенно или это могло быть связано с каким-то другим процессом. Всего через несколько месяцев после этого открытия астрономы также обнаружили группу галактик, которые вращались синхронно друг с другом по схеме, которую можно объяснить наличием темной материи.

Но в 2018 году группа исследователей бросила вызов теории темной материи, когда обнаружила, что в галактике под названием NGC 1052-DF2 темной материи примерно в 400 раз меньше, чем предсказывают модели для объекта такого размера, что также может изменить галактическую эволюцию. модели. Однако результаты исследования противоречивы и до сих пор обсуждаются.

Периодические галактические исследования с использованием все более совершенных технологий позволили ученым идентифицировать галактики, которые ранее были слишком слабыми, чтобы их можно было увидеть, и узнать больше об эволюции, размере и форме галактик. Например, в 2017 году инструмент Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) на Очень большом телескопе Европейской южной обсерватории обнаружил группу из 72 галактик, которые прятались у всех на виду.

В 2018 году изображение, полученное с космического телескопа Хаббла, охватило около 15 000 галактик, предоставив обильное охотничье угодье для будущих галактических исследований. И в том же году за сверхэнергетической черной дырой, скрывавшей ранее их присутствие, были обнаружены сотни галактик.

Дополнительные ресурсы:

Видео: Что такое галактика?
Краткий обзор галактик от Технологического университета Суинберна.
Часто задаваемые вопросы о галактиках на сайте NASA Hubble.

Эта статья была обновлена 4 января 2019 г. сотрудником Space.com Элизабет Хауэлл.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Нола Тейлор Тиллман — автор статей для Space.com. Она любит все, что связано с космосом и астрономией, и наслаждается возможностью узнать больше.