Последовательность галактик Хаббла
Галактики бывают двух видов: эллиптические и спиральные. Астрономы давно подозревали, что их сходства и различия вроде балджей (вздутий) в центре и наличия или отсутствия плоского диска звезд указывают на эволюцию галактик. Свидетельства того, что последовательность Хаббла порождена столкновением галактик, почерпнуты из фотографий глубочайшего космоса.
Когда в 1920-х годах наука постановила, что некоторые размытые туманности, которыми усыпано небо, — это галактики за пределами нашей, астрономы взялись их классифицировать. Галактики бывают двух основных типов: гладкие, эллипсообразной формы, и с отчетливым спиральным рисунком. Они называются, соответственно, эллиптическими и спиральными.
Эдвин Хаббл, американский астроном, который первым установил, что туманности находятся за пределами Млечного Пути, на огромных расстояниях, предположил, что галактики образуют последовательность, и дал им соответствующие названия. Его классификация используется до сих пор. Эллиптические галактики обозначают буквой Е и номером (от 0 до 7), который возрастает в зависимости от того, насколько галактика вытянута. Е0 — почти круглая галактика, Е7 больше напоминает сигару. В трех измерениях эллиптические галактики имеют форму мяча для регби.
Спиральные галактики, по схеме Хаббла, обозначают буквой S и дополнительной буквой (a, b или c) в зависимости от того, насколько туго закручены их спиральные рукава. Галактика Sa — тугая спираль, а Sc— свободная. В трех измерениях спиральные галактики сплющены, как летающая тарелка или линза. Картина усложняется тем, что в некоторых спиральных галактиках есть прямой элемент, или перемычка, проходящая через внутренние области галактики. Такие галактики — спирали с перемычкой — вписаны в ту же систему обозначений и называются SB. Галактики, выпадающие из этой классификации, называются неправильными; к той же категории причисляют галактики, имеющие форму между эллиптической и спиралевидной. Эти два вида причисляют к классу S0.
Камертон Хаббла
При близком рассмотрении между двумя классами галактик обнаруживаются сходства. Спирали состоят из двух компонентов, как яичница: центральное вздутие (желток) — балдж, который выглядит очень похоже на эллиптическую галактику, и окружающий его плоский диск (белок). Размер балджа относительно диска — еще один критерий классификации галактик. Хаббл даже представлял, что галактики образуют последовательность — от тех, в которых преобладает балдж, в том числе и эллиптические галактики, до почти безупречно плоских дисков. Первые иногда называют галактиками раннего типа, вторые — позднего типа. Хаббл считал, что из этих сходств вытекает возможность эволюции галактик от одного типа к другому.
Хаббл расположил свою классификацию галактик на диаграмме в форме камертона. Слева направо, вдоль ручки вилки, размещены эллиптические галактики, от округлых к вытянутым. Справа, вдоль верхнего зубца, — последовательность спиралей от туго закрученных с крупными балджами и маленькими дисками — к дискам со свободными спиралями и едва заметными балджами. Спиральные галактики с перемычкой расположены ниже, вдоль параллельного зубца. В этой знаменитой диаграмме, известной как камертон Хаббла, американский астроном выразил мощную идею: эллиптические галактики могли бы отрастить диски и однажды стать спиральными. Впрочем, доказательств, что подобные преобразования происходят, у Хаббла не было. С тех пор многие исследователи всю свою жизнь в науке пытались понять, как галактики могли бы эволюционировать из одного типа в другой.
Слияния
Один из способов радикального изменения свойств у галактик — столкновения. Составляя карту неба, астрономы нашли множество близко лежащих пар галактик, которые явно взаимодействовали между собой. В самых наглядных случаях из обеих галактик взаимным тяготением вытягиваются длинные, как у головастиков, хвосты звезд, — как, например, в паре сталкивающихся галактик Антенны. Другие галактики прокладывают себе путь прямо сквозь центр своей напарницы, поднимая облака звезд и дымящиеся кольца газа. Получающиеся возмущения зачастую порождают чрезвычайно яркое свечение, поскольку в клубящихся облаках газа формируются новые звезды. Эти молодые голубые звезды могут быть окутаны космической сажей, и некоторые их области от этого светят красным, подобно тому, как пыль делает ярче закат солнца на Земле. Слияние галактик — потрясающее зрелище.
Тем не менее, подробности строения галактик остаются неясными. Чтобы уничтожить огромный диск звезд и оставить голый эллиптический балдж, потребовалось бы катастрофическое столкновение, а чтобы галактика образовала достаточных размеров диск, не разрушаясь, требуется постепенное мягкое приращение. Астрономы видят лишь немногие галактики в промежуточных состояниях, и истинная картина того, как именно галактики меняются через слияние, скорее всего, очень сложна.
Галактические ингредиенты
В галактиках может содержаться от миллионов до триллионов звезд. Эллиптические галактики и балджи спиральных состоят в основном из старых красных звезд. Они движутся по произвольно наклоненным орбитам, тем самым создавая раздутую эллипсоидную форму галактики или балджа. Диски же спиральных галактик в основном состоят из молодых голубых звезд. Они сосредоточены в спиральных рукавах; при прохождении рукава сквозь газовое облако диска в нем запускается формирование звезд. Диски спиралей содержат огромное количество газа, особенно водорода. В эллиптических галактиках содержится очень мало газа, и поэтому новых звезд в них рождается меньше.
В галактических же дисках была открыта темная материя. Края спиралей движутся слишком быстро, чтобы объяснить это лишь их массой в звездах и газе, а значит, присутствует еще какая-то форма материи. Этот дополнительный материал невидим — он не испускает и не поглощает свет и называется темной материей. Она может существовать в форме экзотических частиц, которые трудно обнаружить, поскольку они редко вступают во взаимодействие, или в виде сжатых массивных объектов вроде черных дыр, незагоревшихся звезд или газовых планет. Темная материя образует сферический кокон вокруг галактики, который называется «гало галактики».
«На последнем тусклом горизонте среди призрачных ошибок наблюдений мы ищем точки отсчета, которые едва ли осязаемей. Поиск продолжится. Это стремление — старше истории. Оно не удовлетворено, и его не подавить» Эдвин Хаббл, «Царство галактик» (1936)
Hubble Deep Field
Одни и те же основные типы галактик существуют по всей Вселенной. Самая глубокая фотография неба, снятая на данный момент, — Hubble Deep Field. Чтобы понять, как выглядит средний срез далекой Вселенной, в 1995 году космический телескоп «Хаббл» следил за небольшой полоской неба (шириной в 2,5 угловые минуты) в течение 10 дней. Орбитальная обсерватория позволила астрономам наблюдать космос намного глубже, чем это возможно через телескопы с Земли, и вид далеких галактик открылся нашим глазам. Свету нужно время, чтобы дойти до нас через космические пространства, и потому мы видели эти галактики такими, какими они были миллиарды лет назад.
Поскольку было специально выбрано поле без звезд на переднем плане, почти все 3000 объектов в кадре — далекие галактики. Большинство из них можно классифицировать как эллиптические и спиральные, а значит, оба типа сформировались очень давно. Но неправильных и маленьких голубых галактик больше в далекой Вселенной, чем ближе к нам. Кроме того, 8-10 миллиардов лет назад звезды формировались в 10 раз быстрее, чем сейчас. Оба фактора заставляют предположить, что быстрый рост галактик в молодой Вселенной обусловлен более частыми их столкновениями.