Fizika galaktik i galakticheskih yader

1. Obshie svedeniya o galaktikah

Okolo 70 let nazad pervye raboty po opredeleniyu rasstoyanii do blizhaishih galaktik pokazali istinnye masshtaby dostupnoi nablyudeniyam Vselennoi, polozhiv nachalo issledovaniyu dalekih zvezdnyh sistem. Stalo ochevidnym, chto pochti vse vidimoe veshestvo vo Vselennoi sosredotocheno v etih gigantskih zvezdno-gazovyh ostrovah s harakternym razmerom ot neskol'kih kiloparsek do neskol'kih desyatkov kiloparsek. Solnce vmeste s okruzhayushimi ego zvezdami takzhe vhodit v sostav spiral'noi galaktiki, nazvanie kotoroi vsegda pishetsya s zaglavnoi bukvy – Galaktika. Tipichnoe kolichestvo zvezd s takoi zhe svetimost'yu, kak u Solnca, ili bolee vysokoi, v galaktikah ot neskol'kih desyatkov millionov (v karlikovyh sistemah) do neskol'kih desyatkov milliardov (v gigantskih galaktikah tipa nashei), prichem slabyh zvezd mozhet byt' sushestvenno bol'she.

Raspolozhenie Solnca v nashei Galaktike dovol'no neudachnoe dlya izucheniya etoi sistemy kak celogo: my nahodimsya vblizi ploskosti zvezdnogo diska, i uzhe eto sozdaet problemu vyyavleniya ego struktury i sopostavleniya otdel'nyh chastei drug s drugom. K tomu zhe v oblasti, gde raspolozheno Solnce, dovol'no mnogo mezhzvezdnogo veshestva, pogloshayushego svet i delayushego zvezdnyi disk pochti neprozrachnym dlya vidimogo sveta v nekotoryh napravleniyah, osobenno v napravlenii ee yadra. Poetomu issledovaniya drugih galaktik, predstavlyayushie samostoyatel'nyi interes, igrayut takzhe gromadnuyu rol' i v ponimanii prirody nashei Galaktiki.

Mezhgalakticheskoe prostranstvo, v otlichie ot mezhzvezdnogo, hotya i soderzhit razrezhennyi gaz, sovershenno prozrachno dlya vseh vidov izlucheniya. Eto daet principial'nuyu vozmozhnost' nablyudat' drugie galaktiki, na kakom by rasstoyanii ot nas oni ni nahodilis'. Poetomu krupnym teleskopam okazalis' potencial'no dostupnymi dlya issledovaniya sotni millionov otdel'nyh galaktik. Odnako dlya detal'nogo izucheniya trebuetsya, chtoby galaktika byla sravnitel'no blizko – v predelah neskol'kih soten millionov parsek.

Gruboe razdelenie galaktik na ellipticheskie (E), spiral'nye (S) i nepravil'nye (Ir) okazalos' ochen' udachnym. Takaya klassifikaciya galaktik otrazhaet ne tol'ko osobennosti ih vidimoi formy, no i svoistva vhodyashih v nih zvezd: E-galaktiki sostoyat iz ochen' staryh zvezd, v Ir-galaktikah osnovnoi vklad v izluchenie dayut zvezdy, sushestvenno molozhe Solnca, a v S-galaktikah harakter spektra pokazyvaet prisutstvie zvezd vseh vozrastov.

Izuchenie zvezdnyh spektrov galaktik privelo k otkrytiyu fundamental'noi vazhnosti. Za redchaishimi isklyucheniyami (izvestny molodye karlikovye galaktiki) vozrast galaktik okazalsya primerno odinakovym (bolee 10 mlrd let), i osnovnaya prichina razlichiya mezhdu galaktikami ne v vozraste, a v haraktere evolyucii etih sistem. Esli v E-galaktikah zvezdoobrazovanie prakticheski polnost'yu prekratilos' milliardy let nazad, to v spiral'nyh sistemah obrazovanie zvezd prodolzhaetsya, hotya i daleko ne tak intensivno, kak na nachal'nom etape ih zhizni, a v Ir-galaktikah zvezdoobrazovanie mozhet byt' seichas stol' zhe aktivno, kak i milliardy let nazad.

Kak "ustroeny" galaktiki? Uproshenno mozhno schitat', chto kazhdaya iz nih soderzhit dve osnovnye podsistemy (dva komponenta), vlozhennye odna v druguyu i gravitacionno-svyazannye drug s drugom. Pervaya nazyvaetsya sfericheskoi, ee zvezdy koncentriruyutsya k centru galaktiki, a plotnost' veshestva, vysokaya v centre galaktiki, dovol'no bystro padaet s udaleniem ot nego. Vtoraya podsistema – eto massivnyi zvezdnyi disk.

Tipichnaya E-galaktika vyglyadit kak sfericheskaya podsistema v "chistom" vide, disk v nei ili polnost'yu otsutstvuet ili imeet takuyu nizkuyu svetimost' po sravneniyu s ostal'noi galaktikoi, chto vyyavlyaetsya lish' special'nymi metodami fotometricheskoi obrabotki. E-galaktiki, kak i sfericheskie komponenty u galaktik drugih tipov, pochti lisheny mezhzvezdnogo gaza (ne schitaya razrezhennogo i ochen' goryachego gaza, zapolnyayushego vsyu galaktiku), a sledovatel'no, i molodyh zvezd. V S-galaktikah imeetsya kak sfericheskii komponent, tak i massivnyi zvezdnyi disk, prichem svetimost' poslednego v bol'shinstve sluchaev znachitel'no preobladaet. V nepravil'nyh (Ir) galaktikah sfericheskii zvezdnyi komponent prakticheski otsutstvuet, pochti vse zvezdy zaklyucheny v tolstom diske, sushestvennaya dolya massy kotorogo prihoditsya na mezhzvezdnyi gaz. Sfericheskoe galo etih galaktik obrazovano preimushestvenno temnym, nesvetyashimsya veshestvom (podrobnee ob etom sm. nizhe).

Struktura spiral'nyh galaktik horosho vidna na fotografiyah, privedennyh na ris. 1 i 2. Na ris. 1 izobrazhena galaktika, v diske kotoroi prekrasno vydelyayutsya spiral'nye vetvi, a na ris. 2 disk nablyudaetsya "s rebra", tak chto vetvei ne vidno.

Ris. 1. Mnogorukavnaya spiral'naya galaktika M 101 v sozvezdii Bol'shoi Medvedicy. Svetlye pyatna v spiral'nyh vetvyah – oblasti aktivnogo zvezdoobrazovaniya

Osnovnye nablyudaemye osobennosti galaktik opredelyayutsya ih fizicheskimi harakteristikami, naibolee vazhnye iz kotoryh sleduyushie: 1) skorosti vrasheniya i otnositel'nye massy diskovogo i sfericheskogo komponentov; 2) intensivnost' proishodyashego zvezdoobrazovaniya na edinicu svetimosti galaktiki ili na edinicu massy gaza v ee diske; 3) harakter aktivnosti galakticheskogo yadra i vydelyaemaya im energiya.

Ris. 2. Spiral'naya galaktika M 104 (Sombrero) v sozvezdii Devy, disk kotoroi nablyudaetsya "s rebra"

Kak pokazali issledovaniya poslednih let, eti harakteristiki okazyvayutsya pryamo ili kosvenno svyazannymi s dinamicheskimi svoistvami zvezd i gaza, chto yavlyaetsya klyuchevym momentom v ih izuchenii.

2. Dvizhenie zvezd, gaza i prisutstvie nevidimogo veshestva

Pervye astrofizicheskie nablyudeniya galaktik s ispol'zovaniem "klassicheskogo" fizicheskogo pribora – shelevogo spektrografa – byli provedeny eshe v 1917-1918 godah, to est' eshe do togo, kak byla okonchatel'no ustanovlena ih priroda. Rezul'tatom etih nablyudenii bylo otkrytie vrasheniya vnutrennih oblastei spiral'nyh galaktik, vernee, soderzhashegosya v nih gaza, dayushego lineichatyi spektr. Seichas my znaem, chto svechenie gaza v opticheskih emissionnyh liniyah svyazano s goryachimi zvezdami, ul'trafioletovoe izluchenie kotoryh zastavlyaet gaz flyuorescirovat', no v te dalekie gody dazhe sama ideya o vnegalakticheskoi prirode nablyudaemyh ob'ektov mnogim predstavlyalas' somnitel'noi. Lish' mnogo pozdnee, s poyavleniem novogo pokoleniya nablyudatel'noi tehniki, byli izmereny skorosti dvizheniya ne tol'ko gaza, no i sovokupnosti zvezd (po ih spektru poglosheniya), a vrashenie gaza proslezheno do ochen' bol'shih rasstoyanii ot centra, vo mnogih sluchayah prevyshayushih opticheskii razmer galaktiki. No sposob izmereniya skorostei dvizheniya ostalsya tem zhe samym: on osnovan na effekte Doplera, horosho izvestnom v fizike.

Dlya izmereniya skorostei dvizheniya zvezd i gaza v galaktikah ispol'zuyut kak spektrografy razlichnyh konstrukcii, tak i opticheskie interferencionnye pribory, pozvolyayushie odnovremenno poluchit' informaciyu o skorostyah dvizheniya vo mnogih tysyachah tochek galaktiki. Dlya etogo sovsem ne obyazatel'no izmeryat' skorosti individual'nyh zvezd ili oblakov gaza – eto vozmozhno tol'ko dlya samyh blizkih galaktik. Obychno prihoditsya issledovat' spektr integral'nogo izlucheniya, kotoryi skladyvaetsya iz spektrov bol'shogo kolichestva individual'nyh istochnikov, nerazlichimyh po otdel'nosti.

Skorosti gaza, v otlichie ot zvezd, okazalos' vozmozhnym izmeryat' ne tol'ko v opticheskom diapazone spektra, no i sovershenno nezavisimym putem, po radioizlucheniyu. Chashe vsego dlya etogo ispol'zuyutsya nablyudeniya v radiodiapazone samogo rasprostranennogo gaza v prirode – neitral'nogo vodoroda na chastote 1420 MGc (dlina volny bez ucheta effekta Doplera – 21 sm), a takzhe po liniyam molekul SO v millimetrovom diapazone radiovoln.

Nablyudeniya kak nashei, tak i drugih galaktik pokazali, chto harakter dvizheniya zvezd i gaza ne odinakov, i eto ochen' vazhno dlya ponimaniya teh fizicheskih processov, kotorye opredelyayut nablyudaemoe mnogoobrazie svoistv galaktik. Okazalos', chto gaz vrashaetsya bystree, chem starye zvezdy. Esli harakternye skorosti vrasheniya gaza v galaktikah sostavlyayut 150-300 km/s (rekord skorosti – 500 km/s – derzhitsya uzhe dlitel'noe vremya, no eto isklyuchitel'nyi sluchai), to zvezdy v sfericheskih sistemah vsegda medlenno vrashayushiesya. Baldzhi S-galaktik, sostoyashie iz staryh zvezd, vrashayutsya v dva-tri raza medlennee, chem diski, a u zvezd E-galaktik skorost' vrasheniya sovsem nizkaya i obychno ne prevyshaet neskol'kih desyatkov km/s. Takim obrazom, E-galaktiki – eto sistemy s nizkim uglovym momentom (momentom vrasheniya). Oni sostoyat iz zvezd, letyashih po vsem napravleniyam primerno s odinakovymi skorostyami.

Milliardy zvezd, dvigayushihsya po vsevozmozhnym orbitam v galaktike, mozhno rassmatrivat' kak sovokupnost' chastic, obrazuyushih svoego roda zvezdnyi gaz. Ego svoistva vo mnogom blizki k svoistvam obychnogo gaza, k nemu prilozhimy takie ponyatiya, kak plotnost', koncentraciya chastic, davlenie i dazhe temperatura: analogom temperatury obychnogo gaza zdes' yavlyaetsya srednyaya energiya neuporyadochennogo dvizheniya zvezd.

Zvezdnyi gaz – eto sreda osobogo roda. Esli v obychnom gaze bystro ustanavlivaetsya opredelennaya temperatura za schet nepreryvnyh stolknovenii i obmena impul'sami mezhdu otdel'nymi chasticami – molekulami ili atomami, to v sluchae zvezd situaciya inaya: oni razdeleny takimi rasstoyaniyami, chto ne tol'ko ne stalkivayutsya drug s drugom, no dazhe redko sblizhayutsya nastol'ko, chtoby izmenilis' ih energii ili skorosti. Takaya sreda nazyvaetsya besstolknovitel'noi. Vse vzaimodeistviya mezhdu chasticami zvezdnogo gaza proishodyat na rasstoyanii, cherez ih gravitacionnye polya. Poetomu chasto raspredelenie zvezd po skorostyam dovol'no sil'no otlichaetsya ot togo, kakoe dolzhno byt' v izotermicheskom gaze (v poslednem sluchae ono nazyvaetsya maksvellovskim). No, kak okazalos', pri nekotoryh usloviyah obmen impul'sami vse zhe mozhet proishodit' dostatochno bystro, osobenno v dinamicheski holodnyh sistemah. Naprimer, vo vrashayushemsya diske, obrazuemom besstolknovitel'nym zvezdnym gazom, mogut dazhe rasprostranyat'sya volny szhatiya i razrezheniya, napodobie zvukovyh. Etot paradoks svyazan s tem, chto otdel'no vzyataya zvezda reagiruet bol'she ne na gravitacionnye polya svoih blizkih sosedei, a na pole vsei sovokupnosti zvezd, obrazuyushih galaktiku. Inymi slovami, galaktika v celom vedet sebya kak edinaya sistema, gde vse chasticy vzaimosvyazany silami tyagoteniya. Processy, proishodyashie blagodarya takomu edineniyu, nazyvayut kollektivnymi processami.

Ishodya iz nablyudenii, mozhno zaklyuchit', chto zvezdnyi gaz, obrazuyushii ellipticheskie galaktiki i sfericheskie podsistemy spiral'nyh galaktik, yavlyaetsya dinamicheski "goryachim": zvezdy bystro dvizhutsya po vsevozmozhnym napravleniyam, tak chto srednee razlichie mezhdu skorostyami prostranstvenno blizkih zvezd (dispersiya skorostei) sostavlyaet dlya nih sotni km/s. Dlya diskov situaciya inaya: starye zvezdy, sostavlyayushie ih osnovnuyu massu, predstavlyayut soboi znachitel'no bolee "holodnuyu" sistemu (dispersiya skorostei obychno 50-100 km/s), no zato s bolee bystrym vrasheniem. No samaya nizkaya dinamicheskaya temperatura nablyudaetsya u sovokupnosti gazovyh oblakov v diske galaktiki i u molodyh zvezd, kotorye iz etih oblakov obrazuyutsya, i poetomu sohranyayut te zhe osobennosti dvizheniya. Dispersiya ih skorostei v bol'shinstve nablyudaemyh galaktik blizka k 10 km/s, chto v 15-30 raz men'she, chem skorost' vrasheniya vokrug centra.

Prichina takogo razlichiya kroetsya v neodinakovyh svoistvah zvezdnyh i gazovyh "chastic". Bolee desyati milliardov let nazad, kogda galaktiki tol'ko formirovalis', pervymi obrazovalis' imenno sfericheskie komponenty. Zvezdy voznikli iz gaza, zapolnyavshego ves' ob'em galaktiki, libo rodilis' v bolee melkih sistemah, kotorye gravitaciya sobrala vmeste i peremeshala (vozmozhny oba varianta) – v galaktike poyavilos' mnogo zvezd na vytyanutyh orbitah s bol'shimi radial'nymi skorostyami. Eta osobennost' dvizhenii zvezd sfericheskoi sostavlyayushei sohranilas' do nashih dnei.

Molodaya formiruyushayasya galaktika soderzhit mnogo gaza. V otlichie ot zvezd, obrazuyushih besstolknovitel'nuyu sistemu, gazovye oblaka neuprugo stalkivayutsya drug s drugom, chast' energii pri kazhdom stolknovenii perehodit v teplo i uhodit iz galaktiki v vide elektromagnitnogo izlucheniya. Poetomu sistemu gazovyh oblakov nazyvayut stolknovitel'noi i dissipativnoi (to est' teryayushei svoyu energiyu). Polnaya energiya gaza (kineticheskaya + potencial'naya) stremitsya stat' kak mozhno men'she. Odnako moment vrasheniya sohranyaetsya i pri potere energii, i poetomu oblaka ne mogut zatormozit' svoego vrasheniya vokrug centra galaktiki. Teryaya energiyu, oni priblizhayutsya k centru, uvelichivaya skorost' vrasheniya i "okruglyaya" pri etom svoi orbity. Teryaetsya energiya lish' haoticheskih dvizhenii (ih summarnyi moment vrasheniya raven nulyu). Po mere umen'sheniya polnoi energii gaz stremitsya obrazovat' takoi vrashayushiisya disk, kotoryi budet dinamicheski holodnym (besporyadochnye skorosti maly), tak chto ego kineticheskaya energiya okazhetsya zaklyuchennoi v osnovnom vo vrashatel'nom dvizhenii. Poetomu odnovremenno s formirovaniem sfericheskoi sostavlyayushei galaktiki v nei rozhdalsya i uplotnyalsya gazovyi disk. Gaz postepenno perehodil v zvezdy. Takim putem voznikli galakticheskie diski, v kotoryh traektorii dvizheniya zvezd i gaza nesil'no otlichayutsya ot okruzhnostei.

To, chto dvizhenie oblakov gaza i molodyh zvezd proishodit pochti po okruzhnostyam, pozvolyaet poluchit' iz spektral'nyh nablyudenii zavisimost' skorosti krugovogo vrasheniya ot rasstoyaniya do centra galaktiki. Krivaya, graficheski vyrazhayushaya etu zavisimost', nazyvaetsya krivoi vrasheniya galaktiki. Skorost' vrasheniya na dannom radiuse harakterizuet massu galaktiki v predelah etogo radiusa, a obshaya forma krivoi otrazhaet osobennosti raspredeleniya massy, krupnomasshtabnuyu strukturu galaktiki.

Krivye vrasheniya polucheny dlya neskol'kih soten galaktik. Pervye krivye vrasheniya byli dostatochno korotkimi i opisyvali vrashenie lish' vnutrennih oblastei galaktik; eto svyazano s tem, chto spektry registrirovalis' fotograficheski i chuvstvitel'nosti fotoemul'sii ne hvatalo dlya registracii slabyh spektral'nyh linii na bol'shom rasstoyanii ot centra. Ispol'zovanie fotoelektricheskih usilitelei yarkosti (elektronno-opticheskih preobrazovatelei), a pozdnee – poluprovodnikovyh matrichnyh detektorov pozvolilo povysit' tochnost' izmerenii i dovesti krivye vrasheniya pochti do opticheskoi granicy diska. Radionablyudeniya neitral'nogo vodoroda v galakticheskih diskah prodvinuli krivye eshe dal'she. Osobennuyu cennost' predstavlyayut galaktiki, soderzhashie mnogo gaza: skorost' vrasheniya dlya nekotoryh iz nih udalos' prosledit' do rasstoyaniya, v neskol'ko raz prevyshayushego opticheskii radius, na kotorom eshe nablyudaetsya zvezdnoe svechenie.

Opticheskie i radionablyudeniya udachno dopolnyayut drug druga: v radiolinii 21 sm galaktika vyglyadit "nerezkoi", poetomu skorosti vnutrennih oblastei galaktik tochnee izmeryat' po opticheskim nablyudeniyam, a vrashenie vneshnih oblastei iz-za ih nizkoi yarkosti, naoborot, nadezhnee opredelyat' po radiodannym.

Primerom takoi galaktiki, gde sovmestnye radio- i opticheskie nablyudeniya priveli k izmereniyu skorostei vrasheniya gaza na ochen' bol'shom intervale rasstoyanii R ot yadra, yavlyaetsya spiral'naya galaktika NGC 157, krivaya vrasheniya kotoroi privedena na ris. 3. Vrashenie gazovogo diska galaktiki proslezhivaetsya pochti do 50 kpk ot centra, v to vremya kak sledy opticheskogo diska prakticheski ischezayut na rasstoyanii 15 kpk. Opticheskie nablyudeniya osushestvlyalis' s pomosh'yu interferometra Fabri-Pero na krupneishem v Rossii teleskope – 6-metrovom reflektore Special'noi astrofizicheskoi observatorii RAN, a nablyudeniya v radiolinii vodoroda – na radiointerferometre VLA v SShA. Otdel'nye krivye pokazyvayut sostavlyayushie krivoi vrasheniya, obuslovlennye baldzhem, diskom, mezhzvezdnym gazom i temnym galo (o nem rech' poidet nizhe). Oni harakterizuyut vklad kazhdogo komponenta v gravitacionnyi potencial galaktiki na dannom rasstoyanii ot centra.

Analiz krivyh vrasheniya i raspredeleniya nablyudaemoi yarkosti vnutri galaktik, poluchennyh tol'ko po opticheskim spektram, privel issledovatelei k vyvodu, chto v galaktikah vseh tipov, krome ellipticheskih, zvezdnyi disk ne tol'ko po svetimosti, no i po masse v bol'shinstve sluchaev prevoshodit sfericheskuyu zvezdnuyu sostavlyayushuyu. No pervye zhe krivye vrasheniya, postroennye s uchetom radionablyudenii, kotorye nachali poluchat' eshe v 60-h godah, prepodnesli astronomam syurpriz: massa sfericheskoi sostavlyayushei, vozmozhno, sovsem ne takaya malen'kaya, kakoi ee obychno polagali.

Ris. 3. Nablyudaemaya krivaya vrasheniya cpiral'noi galaktiki NGC 157 i rezul'taty ee modelirovaniya (razdeleniya na komponenty). Svetlye kruzhki – opticheskie nablyudeniya, zvezdochki – radionablyudeniya v linii neitral'nogo vodoroda. Vklad temnogo galo stanovitsya preobladayushim tol'ko na ochen' bol'shih rasstoyaniyah ot centra. Opticheskii radius galaktiki menee 15 kpk

Esli schitat', chto vsya massa v galaktikah zaklyuchena v ih zvezdnyh komponentah, to skorost' vrasheniya na periferii galaktiki dolzhna umen'shat'sya s uvelicheniem rasstoyaniya ot ee centra. No okazalos', chto chashe vsego etogo ne proishodit: skorost' vrasheniya, kak pravilo, derzhitsya primerno na postoyannom urovne dazhe tam, gde uzhe ne vidno nikakih sledov prisutstviya zvezd. Eto nesootvetstvie tol'ko obostrilos', kogda v 80-h godah do vneshnih oblastei galaktik "dotyanulis'" i opticheskie krivye vrasheniya: oni vo mnogih sluchayah takzhe okazalis' "ploskimi". U nepravil'nyh galaktik na teh rasstoyaniyah, gde zvezdnoe svechenie uzhe konchaetsya, skorost' vrasheniya ne tol'ko ne umen'shaetsya, no, kak pravilo, prodolzhaet vozrastat' s rasstoyaniem ot centra.

Neskol'kimi gruppami issledovatelei nezavisimo byla obosnovana ideya, chto, pomimo baldzha i diska vmeste s nahodyashimsya v nih nablyudaemym gazom, v galaktikah prisutstvuyut bol'shie massy nesvetyashegosya veshestva, sostavlyayushego, po-vidimomu, ochen' protyazhennyi sfericheskii komponent, plotnost' kotorogo vyshe plotnosti zvezdnyh komponentov na bol'shom rasstoyanii ot centra. Eta nevidimaya creda poluchila nazvanie temnogo galo (ili "skrytoi massy"). Hotya situaciya ne odinakova v razlichnyh galaktikah, nevidimoe veshestvo dazhe v spiral'nyh galaktikah, ne govorya o nepravil'nyh, v bol'shinstve sluchaev po krainei mere udvaivaet polnuyu massu v granicah zvezdnogo diska i prodolzhaet uvelichivat' ee za vidimymi granicami galaktiki. Zametim, chto galaktika NGC 157, krivaya vrasheniya kotoroi privedena na ris. 3, predstavlyaet soboi netipichnyi sluchai: v oblasti opticheskogo diska (do 13-15 kpk) vklad galo neznachitelen, poetomu v podobnyh sluchayah skorost' vrasheniya za predelami opticheskogo diska padaet. Odnako, kak vidno iz privedennoi krivoi, na bol'shih rasstoyaniyah ot centra ona vse zhe ne stremitsya k nulyu, a derzhitsya na urovne primerno 100 km/s, svidetel'stvuya o nalichii temnogo galo i v etoi galaktike, tol'ko bolee skromnogo po masse i bolee protyazhennogo, chem v bol'shinstve drugih.

Vyvod o prisutstvii temnogo veshestva byl sdelan i dlya E-galaktik. V nih ne nablyudaetsya protyazhennyh gazovyh diskov, no massu etih galaktik mozhno ocenit' inache, chem u spiral'nyh. Vneatmosfernye nablyudeniya v rentgenovskoi oblasti spektra priveli k otkrytiyu ochen' goryachego gaza v samih galaktikah i v ih neposredstvennom okruzhenii. Etot gaz uderzhivaetsya gravitacionnym polem galaktiki, poetomu izmerenie temperatury i razmera zapolnyaemoi im oblasti pozvolyaet vychislit' trebuemuyu dlya etogo massu galaktiki. Rezul'tat okazalsya tem zhe, chto i dlya galaktik drugih tipov: esli vo vnutrennei oblasti po masse preobladaet zvezdnoe naselenie, to nachinaya s nekotorogo rasstoyaniya massa uzhe opredelyaetsya nevidimym veshestvom.

Vyvod o sushestvovanii bol'shih mass nevidimogo veshestva v galaktikah kazhetsya nastol'ko vyzyvayushim, chto vremya ot vremeni v nauchnoi literature poyavlyayutsya raboty, gde predlagaetsya "izbavit'sya" ot nego cenoi modifikacii fundamental'nyh zakonov fiziki. Vryad li est' neobhodimost' v takom podhode, poskol'ku sushestvuyut nezavisimye svidetel'stva nalichiya bol'shogo kolichestva materii vo Vselennoi, nenablyudaemoi neposredstvenno (naprimer, iz ocenok rasprostranennosti himicheskih elementov tyazhelee vodoroda na baze kosmologicheskoi teorii goryachei Vselennoi, ili iz sravneniya ocenok srednei plotnosti veshestva Vselennoi, naidennyh po skorosti ee rasshireniya, i po chislu galaktik v edinice ob'ema).

Dlya ob'yasneniya prirody temnogo galo v galaktikah ispol'zuyut dva podhoda. Soglasno pervomu, nevidimaya massa svyazana s bol'shim kolichestvom holodnyh tel, sostoyashih iz obychnyh atomov. Oni ne izluchayut elektromagnitnyh voln, i edinstvennaya vozmozhnost' ih obnaruzhit' – po gravitacionnomu vliyaniyu na drugie tela ili na izluchenie. Eto, naprimer, tela, promezhutochnye po masse mezhdu zvezdami i planetami, a takzhe mnogochislennye plotnye i holodnye molekulyarnye oblachka, kotorye dvizhutsya podobno zvezdam, no ih nel'zya obnaruzhit' standartnymi metodami iz-za nizkoi temperatury. Opredelennuyu dolyu "skrytoi" massy mogut sostavlyat' i kompaktnye ostatki davno zakonchivshih svoe razvitie i "pogasshih" zvezd.

Samyi perspektivnyi put' obnaruzheniya nevidimyh ob'ektov v nashei Galaktike predlozhil amerikanskii astrofizik Bogdan Pachinskii. Ego ideya zaklyuchaetsya v vyyavlenii temnyh malomassivnyh tel (s massami, kak u samyh malomassivnyh zvezd ili u planet), proektiruyushihsya na oblasti, ochen' bogatye slabymi zvezdami (naprimer, na baldzh nashei Galaktiki, ili na blizhaishie k nam galaktiki – Magellanovy Oblaka). Kogda nevidimoe telo, dvigayas' v prostranstve, sluchaino okazyvaetsya na odnom luche zreniya s dalekoi zvezdoi, to ego gravitacionnoe pole obyazatel'no dolzhno privesti k znachitel'nomu odnorazovomu vozrastaniyu vidimoi yarkosti zvezdy, kotoroe mozhet nablyudat'sya v techenie neskol'kih dnei ili nedel'. Etot effekt poluchil nazvanie gravitacionnogo mikrolinzirovaniya. Dlya togo chtoby zafiksirovat' eti redkie yavleniya, trebuyutsya dolgovremennye nablyudeniya za millionami zvezd fona na vybrannom uchastke neba. Takie nablyudeniya v nastoyashee vremya provodyatsya neskol'kimi issledovatel'skimi gruppami, i ryad ozhidaemyh sobytii uzhe zafiksirovan, no rezul'taty poka slishkom malochislenny dlya uverennyh vyvodov o tom, kakaya dolya massy nevidimogo galo prihoditsya na temnye ob'ekty.

Vtoroi podhod svyazyvaet nevidimuyu massu, preobladayushuyu v okrestnostyah galaktik, so sploshnoi sredoi, kotoraya sostoit ne iz atomov, a iz elementarnyh chastic s nenulevoi massoi pokoya, slabo vzaimodeistvuyushih s obychnym veshestvom cherez drugie sily, pomimo gravitacionnyh. Fizika elementarnyh chastic i kosmologiya predlagayut neskol'ko vozmozhnyh tipov chastic takogo roda, na dolyu kotoryh mogla by prihoditsya osnovnaya massa Vselennoi, no sredi predlagavshihsya na etu rol' chastic lish' neitrino izvestno eksperimentatoram. Proverka etih predpolozhenii i poiski gipoteticheskih chastic – delo budushego.

3. Dvizhenie gaza i zvezdoobrazovanie

Samym vazhnym fizicheskim processom, opredelyayushim osnovnye nablyudaemye svoistva galaktiki, yavlyaetsya obrazovanie zvezd iz mezhzvezdnogo gaza. Eto slozhnyi, mnogostupenchatyi process, issledovanie kotorogo – odna iz vazhneishih zadach, reshaemaya vnegalakticheskoi astronomiei.

Rozhdenie zvezd proishodit pochti isklyuchitel'no v diskah galaktik. Gaz, ostavshiisya kogda-to davno posle obrazovaniya osnovnoi massy zvezdnogo diska, peremeshalsya s techeniem vremeni s tem gazom, kotoryi postoyanno sbrasyvayut s sebya stareyushie zvezdy, dozhil do nashei epohi i prodolzhaet proizvodit' novye pokoleniya molodyh zvezd, hotya i ne tak intensivno, kak milliardy let nazad. Polnaya massa etogo mezhzvezdnogo gaza v takih galaktikah, kak nasha, obychno sostavlyaet neskol'ko milliardov mass Solnca. On vrashaetsya vokrug centra galaktiki, nahodyas' vblizi ploskosti simmetrii zvezdnogo diska, gde obrazuet sravnitel'no tonkii sloi tolshinoi v neskol'ko soten svetovyh let. Imenno v etom sloe i voznikayut massivnye gazovye kondensacii, vnutri kotoryh gaz postepenno sgushaetsya v sravnitel'no nebol'shie i plotnye molekulyarnye oblaka, a oni uzhe dayut nachalo zvezdam i molodym zvezdnym gruppirovkam. V S-galaktikah samye krupnye po razmeru oblasti, gde koncentriruetsya gaz i svyazannye s nim ochagi zvezdoobrazovaniya, raspolagayutsya dlinnymi nerovnymi cepochkami, kotorye pridayut klochkovatyi vid spiral'nym vetvyam.

Razmer protyazhennyh oblastei, v kotoryh koncentriruyutsya molodye zvezdy i zvezdnye skopleniya, primerno odinakov v samyh razlichnyh galaktikah – neskol'ko soten parsek. Sovetskii astronom Yu.N. Efremov, dokazavshii sushestvovanie yacheek zvezdoobrazovaniya takogo razmera v nashei i sosednih s nei galaktikah, dal im nazvanie molodyh zvezdnyh kompleksov. V spiral'noi galaktike ih mozhet byt' neskol'ko desyatkov. Radionablyudeniya pokazali, chto etim kompleksam sootvetstvuyut gigantskie oblaka gaza ("sverhoblaka"), ochen' neodnorodnye po strukture. Imenno v nih poyavlyayutsya usloviya dlya zarozhdeniya zvezd. No kak voznikayut oni sami? Tol'ko gravitaciya mozhet predstavlyat' silu, sposobnuyu sobrat' bol'shie massy gaza. Klyuch k ponimaniyu togo, kak eto mozhet proishodit', dalo sravnenie tempov zvezdoobrazovaniya v razlichnyh oblastyah galaktik.

Galaktiki ochen' sil'no otlichayutsya drug ot druga po intensivnosti proishodyashego v nih zvezdoobrazovaniya. No kolichestvenno sravnit' tempy obrazovaniya zvezd v nih – zadacha neprostaya, poskol'ku, za isklyucheniem blizhaishih galaktik, molodye zvezdy ne vidny po otdel'nosti iz-za bol'shogo rasstoyaniya. Obychno ispol'zuyutsya tri naibolee nadezhnyh priznaka, harakterizuyushih aktivnost' zvezdoobrazovaniya: 1) cvet galaktiki (molodye massivnye zvezdy delayut ego bolee golubym); 2) yarkost' svecheniya gaza v opticheskih spektral'nyh liniyah, kotoroe voznikaet pri obluchenii gaza ul'trafioletovym svetom molodyh zvezd; 3) moshnoe izluchenie "teploi" mezhzvezdnoi pyli. Pyl' zdes' igraet rol' preobrazovatelya svetovoi energii: ona pogloshaet svet molodyh zvezd, raspolozhennyh v oblastyah s vysokoi plotnost'yu mezhzvezdnoi sredy, i pereizluchaet zahvachennuyu energiyu v dalekoi infrakrasnoi oblasti spektra (v osnovnom v spektral'nom diapazone 50-500 mkm), a eto izluchenie registriruetsya metodami vneatmosfernyh nablyudenii. Model'nye kolichestvennye ocenki, osnovannye na etih kriteriyah, pokazyvayut, chto v takih galaktikah, kak nasha, sovremennye tempy zvezdoobrazovaniya ne osobenno vpechatlyayushi – za period v million let v srednem obrazuyutsya molodye zvezdy s summarnoi massoi 5-10 millionov mass Solnca. Eto dostatochno tipichnaya cifra dlya galaktik. V srednem (tol'ko v srednem!), chem bol'she gaza soderzhitsya v diske, tem intensivnee zvezdoobrazovanie, tak chto esli razdelit' massu rozhdayushihsya v edinicu vremeni zvezd na massu mezhzvezdnogo gaza, to poluchennaya velichina ne budet sil'no zaviset' ot razmera galaktiki ili kolichestva gaza v nei i sostavit dlya bol'shinstva galaktik neskol'ko mass Solnca v god v raschete na desyat' milliardov solnechnyh mass gaza. Eto otnoshenie tempov zvezdoobrazovaniya k masse gaza, uchastvuyushego v nem, nazyvayut effektivnost'yu obrazovaniya zvezd (EOZ). Chem vyshe EOZ, tem blagopriyatnee usloviya dlya zvezdoobrazovaniya i tem bystree galaktika istoshit svoi zapasy mezhzvezdnogo gaza – on budet perehodit' v zvezdy, poka ego plotnost' ne stanet chrezvychaino nizkoi. Poetomu v galaktikah, sohranivshih mnogo gaza (naprimer, v Ir-galaktikah, gde gaz sostavlyaet inogda 30-50 % ot massy diska), EOZ dolzhna byt' sravnitel'no nizkoi.

Chem zhe obuslovlena velichina EOZ? Pervyi fizicheskii mehanizm, privodyashii k uvelicheniyu EOZ, svyazan s nalichiem spiral'nyh vetvei v galaktikah. Mehanizm vozniknoveniya spiral'nogo uzora, prichina ego dolgozhivuchesti, harakter vzaimodeistviya s gazom ostayutsya vazhneishimi i daleko eshe ne reshennymi problemami fiziki galaktik, nesmotrya na aktivnuyu rabotu teoretikov i nablyudatelei v etoi oblasti. Rassmotrim podrobnee, chto kroetsya za vidimoi kartinoi spiralei.

Vernemsya k krivym vrasheniya spiral'nyh galaktik. Tochki, poluchennye po izmereniyam skorostei, nikogda ne lezhat tochno na gladkoi krivoi, "otskakivaya" to v odnu, to v druguyu storonu ot nee. Dlya etogo mozhet byt' tri prichiny: 1) oshibki nablyudenii; 2) sushestvovanie lokal'nyh narushenii krugovogo dvizheniya gaza, svyazannyh, naprimer, s moshnymi oblastyami zvezdoobrazovaniya, gde izluchenie molodyh zvezd sposobno peredat' mezhzvezdnomu gazu bol'shuyu energiyu; 3) naibolee interesnaya: na krugovoe dvizhenie gaza nakladyvayutsya sistematicheskie volnoobraznye dvizheniya, svyazannye s ego uporyadochennymi kolebaniyami v diske. Gazovye oblaka oscilliruyut (po vsem trem koordinatam) otnositel'no polozheniya ravnovesiya na krugovoi orbite s amplitudoi, inogda dostigayushei neskol'kih desyatkov km/s. Eti oscillyacii gaza ne vsegda mozhno vyyavit' po krivym vrasheniya, zdes' trebuetsya podrobnyi matematicheskii analiz izmereniya skorostei gaza v tysyachah tochek na diske galaktiki. Sovremennaya tehnika pozvolyaet provesti takie issledovaniya i vyyavit' sistematicheskie otkloneniya ot chisto krugovogo dvizheniya metodom fur'e-analiza.

Kolebaniya skorostei gaza svyazany s tem, chto po vrashayushemusya disku bol'shinstva galaktik rasprostranyayutsya volny uplotneniya ili spiral'nye volny plotnosti (linii ravnyh faz etih kolebanii imeyut vid spiralei). Oni obegayut disk za neskol'ko soten millionov let s postoyannoi uglovoi skorost'yu. Po-vidimomu, edinogo mehanizma vozbuzhdeniya takih kolebanii net. Sredi vozmozhnyh rassmatrivayutsya i gravitacionnye, i gazodinamicheskie neustoichivosti vrashayushegosya diska, i gravitacionnoe vozdeistvie na gaz i zvezdy so storony vytyanutogo zvezdnogo uplotneniya (nazyvaemoi peremychkoi), neredko nablyudaemogo vo vnutrennih oblastyah S-galaktik, i, nakonec, vliyanie blizkih galaktik, vozbuzhdayushih svoim gravitacionnym polem volny v diske. Vse oni v sostoyanii vyzvat' obrazovanie spiral'nyh voln plotnosti. Imenno eti volny otvetstvenny za poyavlenie dlinnyh uporyadochennyh spiral'nyh vetvei galaktik, takih krasivyh na fotografiyah.

Volny nepreryvno "prokatyvayutsya" kak po gazovomu, tak i po zvezdnomu disku, no iz-za togo, chto zvezdnyi gaz – eto dinamicheski bolee goryachaya sreda, amplituda kolebanii plotnosti zvezdnogo diska redko byvaet vysokoi. Inoe delo mezhzvezdnyi gaz: blagodarya svoistvam dissipativnosti ego otklik na volnu szhatiya mozhet byt' ochen' sil'nym. Gaz v spiral'noi volne szhimaetsya, chasto nablyudayutsya priznaki udarnoi volny tam, gde volna plotnosti dostatochno sil'naya. Kak pokazyvayut teoreticheskie raschety, pri szhatii gaza vsled za ego kratkovremennym nagrevom nastupaet faza ohlazhdeniya, tak kak s vozrastaniem plotnosti gaza rastet i ego sposobnost' teryat' teplovuyu energiyu, kotoraya unositsya izlucheniem. Vse eto privodit k aktivizacii obrazovaniya holodnyh gazovyh oblakov i ih kompleksov, i v konechnom schete k vozniknoveniyu ochagov zvezdoobrazovaniya, obychno nablyudaemyh vdol' spiral'nyh vetvei.

Drugoi mehanizm, stimuliruyushii zvezdoobrazovanie, – eto gravitacionnaya neustoichivost' gazovogo diska, voznikayushaya kogda srednyaya plotnost' gaza na dannom rasstoyanii ot centra dostigaet opredelennoi kriticheskoi velichiny. Rost neustoichivosti privodit k poyavleniyu krupnomasshtabnyh kondensacii v diske (sverhoblakov), harakternye rasstoyaniya mezhdu kotorymi sostavlyayut 1-3 kpk. Odin iz avtorov etoi idei amerikanskii astrofizik R. Kennikatt pervym pokazal, chto tempy zvezdoobrazovaniya v galaktikah stanovyatsya ochen' nizkimi imenno tam, gde plotnost' opuskaetsya nizhe kriticheskogo znacheniya dlya gravitacionnoi ustoichivosti. Etot porog plotnosti opredelyaetsya teoreticheski, on zavisit prezhde vsego ot uglovoi skorosti vrasheniya gazovogo diska i ee proizvodnoi po radiusu. Sledovatel'no, i v dannom sluchae kinematika gaza v galaktike igraet klyuchevuyu rol'.

Eshe odin mehanizm, sposobstvuyushii bolee intensivnomu zvezdoobrazovaniyu, takzhe svyazannyi s dvizheniem gaza, byl obnaruzhen pri izuchenii vzaimodeistviya blizkih galaktik (termin "vzaimodeistvuyushie galaktiki" byl predlozhen sovetskim astronomom B.A. Voroncovym-Vel'yaminovym, pervym nachavshim sistematicheskoe issledovanie galaktik v parah ili tesnyh gruppah s zametnymi iskazheniyami formy). Esli galaktiki v svoem dvizhenii podhodyat blizko drug k drugu, to oni mogut ispytyvat' sil'noe vzaimnoe gravitacionnoe vozdeistvie na rasstoyanii, eshe ne soprikasayas', a pri ochen' blizkom prohozhdenii ili pri vzaimnom proniknovenii ono stanovitsya osobenno sil'nym. V etom sluchae galaktiki mogut dazhe slit'sya drug s drugom za neskol'ko soten millionov let, otdav zvezdnomu gazu izbytok energii svoego otnositel'nogo dvizheniya (kak proishodit takoi process, naglyadno pokazali chislennye eksperimenty). Vliyanie gravitacionnogo polya sosednei galaktiki privodit k izmeneniyu orbit zvezd, no osobenno sil'no na vneshnee vozdeistvie reagiruet gaz v silu togo, chto on obrazuet naibolee dinamicheski "holodnuyu" sistemu. Proishodit svoego roda peremeshivanie orbit oblakov, rezko vozrastaet chastota ih stolknovenii, uvelichivayutsya poteri teplovoi energii gaza. V itoge, kak i v spiral'nyh volnah plotnosti, uskoryaetsya obrazovanie holodnyh massivnyh oblakov, iz veshestva kotoryh rozhdayutsya zvezdy. Po etoi prichine mnogie vzaimodeistvuyushie galaktiki otlichayutsya udivitel'no vysokimi tempami zvezdoobrazovaniya: EOZ v nih mozhet bolee chem vdesyatero vyshe srednego urovnya (v rekordnyh sluchayah, pri sliyanii galaktik, v sotni raz).

4. Aktivnost' yader galaktik

Ne menee interesno drugoe sledstvie vzaimodeistviya galaktik. Pri nalichii vneshnei sily gaz uzhe ne sohranyaet svoego momenta vrasheniya. Proishodit pereraspredelenie momentov, a sledovatel'no, i orbit gazovyh oblakov v galaktike, v rezul'tate chego chast' gaza mozhet navsegda pokinut' galaktiku, a chast', naoborot, priblizit'sya k centru. Kak pokazyvayut teoreticheskie raschety, dvizhenie gaza vo vnutrennei oblasti galaktiki stanovitsya takim, chto pri opredelennyh usloviyah privodit k udivitel'nym posledstviyam: kroshechnaya oblast' v centre galaktiki, ee aktivnoe yadro, stanovitsya istochnikom fantasticheskogo kolichestva energii – v nekotoryh sluchayah prevyshayushego 10³⁶ Vt (dlya sravneniya: polnaya moshnost' izlucheniya Solnca vo vseh diapazonah spektra sostavlyaet vsego 4·10²⁶ Vt). U naibolee aktivnyh yader (kvazarov) moshnost' opticheskogo izlucheniya nastol'ko velika, chto trebuetsya special'naya tehnika nablyudenii, chtoby ulovit' svechenie zvezdnoi "materinskoi" galaktiki vokrug bolee yarkogo istochnika.

Mehanizm formirovaniya aktivnyh yader do sih por ne ochen' ponyaten. Net obsheprinyatogo ob'yasneniya, pochemu v odnih sluchayah osnovnaya energiya yadra vydelyaetsya v vide opticheskogo i infrakrasnogo izlucheniya, v drugih – v vide radiovoln i potokov relyativistskih chastic (v etom sluchae galaktika nazyvaetsya radiogalaktikoi), a v tret'ih, vneshne takih zhe galaktikah aktivnost' yadra ostaetsya ochen' slaboi (k poslednim otnositsya i nasha Galaktika).

Iz spektral'nyh nablyudenii yader bylo izvlecheno mnogo informacii o nih. Issledovateli neploho znayut o fizicheskom sostoyanii gaza v yadre, skorostyah ego dvizheniya, koncentracii atomov i elektronov, himicheskom sostave, o mehanizmah izlucheniya nepreryvnogo spektra i emissionnyh linii i t. d., no eto ne dalo pryamogo otveta na glavnyi vopros – kakov istochnik energii yadra i chto zastavlyaet "vklyuchit'sya" ego aktivnost'.

Harakternoi osobennost'yu izlucheniya aktivnyh yader galaktik yavlyaetsya ih vysokaya moshnost' i peremennost', proishodyashaya na samyh razlichnyh masshtabah vremeni – ot neskol'kih desyatkov chasov do neskol'kih let (v rentgenovskom diapazone spektra – vplot' do neskol'kih minut). Ona svidetel'stvuet o chrezvychainoi kompaktnosti istochnika izlucheniya, tak kak v protivnom sluchae iz-za konechnosti skorosti sveta izluchenie ot razlichnyh chastei istochnika prihodilo by ne odnovremenno, chto zamyvalo by kolebaniya bleska. Razmer central'nogo ob'ekta vryad li namnogo prevoshodit razmer Solnechnoi sistemy, tak chto v masshtabah galaktiki on vyglyadit ischezayushe maloi tochkoi, no imenno v nem zarozhdaetsya chudovishnaya energiya, vyhod kotoroi nevozmozhno ob'yasnit' nikakimi yadernymi reakciyami.

Edinstvennyi istochnik energii, izvestnyi v fizike, kotoryi mog by dolgoe vremya "rabotat'" s trebuemoi effektivnost'yu v yadre, – eto vydelenie (i preobrazovanie v drugie formy) gravitacionnoi energii gaza, padayushego v oblast' prostranstva, nazyvaemuyu massivnoi chernoi dyroi. Svobodno padayushee na nee veshestvo razgonyaetsya v okrestnosti "dyry" do okolosvetovyh skorostei i zakruchivaetsya vokrug nee v plotnyi i chrezvychaino goryachii disk (akkrecionnyi disk). Ego razmer dolzhen byt' sopostavim s razmerom Solnechnoi sistemy. Energiya etogo "volchka" i sluzhit rezervuarom energii aktivnogo yadra. Imenno v nem, a ne v samoi chernoi dyre rozhdayutsya moshnye potoki korotkovolnovogo izlucheniya i proishodit uskorenie protonov i elektronov do ochen' vysokih energii.

Chernaya dyra mozhet byt' obrazovana bol'shoi massoi veshestva, skopivsheisya v samom centre galaktiki (to est' v oblasti s samoi nizkoi potencial'noi energiei) milliardy let nazad. Dlya togo chtoby ob'yasnit' nablyudaemuyu aktivnost' yader, massa chernoi dyry dolzhna sostavlyat' sotni millionov i milliardy mass Solnca, no dlya "probuzhdeniya" yadra k aktivnosti trebuetsya toplivo. Neobhodimo, chtoby i posle obrazovaniya etogo kompaktnogo ob'ekta veshestvo prodolzhalo "opuskat'sya" k samomu centru galaktiki, padaya na "dyru". Dlya etogo dolzhen sushestvovat' mehanizm, "sbrasyvayushii" oblaka s krugovyh orbit, otbiraya u nih moment vrasheniya.

Vo vnutrennei oblasti galaktik dolzhno nakopit'sya dostatochnoe kolichestvo gaza. Deistvie prilivnyh sil privodit k tomu, chto chast' gaza bystro "spolzaet" k yadru, obrazuya yadernyi disk razmerami v desyatki ili sotni parsek. Takie diski nablyudayutsya vo mnogih galaktikah. Dal'neishee prodvizhenie k chernoi dyre dolzhno byt' svyazano uzhe s processami v etom diske i obuslovleno, kak predpolagayut, gravitacionnoi neustoichivost'yu poslednego, kogda ego plotnost' stanovitsya dostatochno vysokoi.

Nablyudeniya pokazyvayut, chto sredi galaktik s aktivnymi yadrami povyshena dolya ob'ektov, imeyushih blizkih sosedei, a v naibolee aktivnyh galaktikah prakticheski vsegda nablyudayutsya priznaki sil'nogo vzaimodeistviya ili dazhe sliyaniya s drugimi sistemami v ne ochen' dalekom proshlom. Ob etom govoryat osobennosti ih vneshnego vida, harakternye dlya vzaimodeistvuyushih galaktik, a takzhe "vozmushennye", nekrugovye skorosti mezhzvezdnogo gaza.

No ne vse vzaimodeistvuyushie sistemy obladayut aktivnymi yadrami (hotya by potomu, chto i kolichestvo gaza, sposobnogo upast' na centr, i massa chernyh dyr u nih mozhet byt' razlichna), kak i ne vse galaktiki s aktivnymi yadrami vzaimodeistvuyushie: yadernyi disk mozhet vozniknut' i drugimi putyami, naprimer iz gaza s malym momentom vrasheniya, padayushego na galaktiku izvne.

Teoreticheski rassmatrivayutsya razlichnye fizicheskie shemy, ob'yasnyayushie popadanie gaza v okrestnost' chernoi dyry. Pomimo upomyanutyh, est' i takaya ekzotichnaya, no pravdopodobnaya shema, gde veshestvo dostavlyaetsya k samomu centru obychnymi zvezdami, kotorye iz-za bol'shoi vytyanutosti orbit pri svoem dvizhenii v galaktike podhodyat na opasno blizkoe rasstoyanie k chernoi dyre i razrushayutsya prilivnymi silami ee gravitacionnogo polya. Dlya ob'yasneniya vysokoi energeticheskoi aktivnosti yadra dostatochno, chtoby kakim-libo putem k chernoi dyre ustremlyalos' i ischezalo v ee okrestnosti v srednem okolo odnoi solnechnoi massy veshestva ezhegodno.

Pryamoe podtverzhdenie prisutstviya massivnoi chernoi dyry v galaktike mogut dat' izmereniya skorostei dvizheniya zvezd ili gaza v ee central'nom raione. Chem blizhe k chernoi dyre, tem bystree oni dolzhny dvigat'sya. Poluchiv ocenki skorostei vrasheniya gaza ili dispersii skorostei zvezd na rasstoyanii v neskol'ko desyatkov parsek ot centra galaktiki, s pomosh'yu metodov matematicheskogo modelirovaniya mozhno grubo ocenit' massu, zaklyuchennuyu vnutri etogo radiusa. I esli naidennaya massa okazhetsya znachitel'no bol'she, chem massa vidimyh zvezd v etoi zhe oblasti (ee mozhno ocenit' po yarkosti yadra), to poyavlyayutsya vse osnovaniya schitat', chto obnaruzheno gravitacionnoe pole nevidimogo massivnogo tela v centre, i mozhno obosnovanno predpolozhit', chto v yadre galaktiki – chernaya dyra.

Apparaturnye vozmozhnosti takih izmerenii poyavilis' nedavno. Programmy po poiskam chernyh dyr v yadrah galaktik naibolee aktivno provodyatsya na kosmicheskom teleskope im. E. Habbla, rabotayushem na vysokoi okolozemnoi orbite, i na kanadsko-francuzskom teleskope na Gavaiskih ostrovah, gde ustanovlen spektrograf, pozvolyayushii pri horoshih atmosfernyh usloviyah nadezhno izmeryat' skorosti zvezd v oblastyah s razmerom menee odnoi uglovoi sekundy. V nekotoryh sluchayah (spiral'naya galaktika NGC 4258) chernuyu dyru udaetsya "nashupat'" ne v opticheskih luchah, a s pomosh'yu radiointerferometra, izmeryaya skorosti gaza po nablyudeniyam ochen' uzkih radiolinii.

Na nachalo 2000 goda kolichestvo galaktik, gde izmereniya skorostei pozvolyayut govorit' o nalichii chernyh dyr, sostavlyaet bolee desyatka. Sredi nih kak spiral'nye, tak i ellipticheskie sistemy, kak galaktiki s vysokoi aktivnost'yu yadra (radiogalaktika M 87), tak i s ochen' nizkoi (tumannost' Andromedy). Massy chernyh dyr okazalis' primerno takimi, kak i ozhidalos' – ot neskol'kih millionov mass Solnca (nasha Galaktika) do neskol'kih milliardov (M 87). Na ris. 4 privedeno izobrazhenie galaktiki M 87.

Ris. 4. Yadernaya chast' radiogalaktiki M 87 po nablyudeniyam s kosmicheskogo teleskopa im. E. Habbla (NASA, SShA). Dlinnyi vybros veshestva (dzhet) iz yarkogo yadra galaktiki – odno iz proyavlenii ego aktivnosti. Vo vrezke – uvelichennoe izobrazhenie yadra, gde horosho viden gazovyi okoloyadernyi disk, struktura kotorogo napominaet spiral'nye vetvi. Central'naya, naibolee svetlaya chast' diska, imeet razmer neskol'ko desyatkov parsek. Izmereniya skorosti ee vrasheniya (550 km/s) podtverdili sushestvovanie massivnoi chernoi dyry v centre

Gruppa issledovatelei iz SShA i Kanady pod rukovodstvom D. Richstouna, zanimayushayasya izmereniyami skorostei zvezd v samom centre galaktik, na osnovanii vseh imeyushihsya rezul'tatov prishla k vyvodu o tom, chto chernye dyry prisutstvuyut v yadrah pochti vseh galaktik, hotya ih ne vsegda mozhno obnaruzhit', poskol'ku ih massa razlichna i primerno proporcional'na masse galaktiki v celom (dlya spiral'nyh galaktik vmesto polnoi massy nado brat' massu zvezdnogo baldzha kak naibolee medlenno vrashayushegosya komponenta). Esli eto predpolozhenie podtverditsya, to ono budet oznachat', chto obrazovanie chernyh dyr tesno svyazano s formirovaniem zvezdnyh komponentov galaktiki.

5. Zaklyuchenie

Nablyudaemye razlichiya mezhdu galaktikami, tak zhe kak i harakter teh fizicheskih processov, kotorye opredelyayut ih svoistva, okazyvayutsya ochen' tesno svyazannymi s dinamicheskimi svoistvami zvezd i gaza. Izuchenie slozhnogo haraktera ih dvizhenii v obshem gravitacionnom pole v sochetanii s fizicheskoi teoriei pozvolyaet ponyat', chto proishodit v galaktikah. Progress svyazan prezhde vsego s novymi vozmozhnostyami nablyudenii, s novymi metodami, s povysheniem tochnosti ocenok. Imenno zdes' sleduet ozhidat' proryvov k novym rezul'tatam.

Literatura

1. Agekyan T.A. Zvezdy, galaktiki, Metagalaktika. M.: Nauka, 1982.
2. Ginzburg V.L. O fizike i astrofizike. M.: Nauka, 1985.
3. Marochnik L.S., Suchkov A.A. Galaktika. M.: Nauka, 1984.
4. Chernin A.D. Vrashenie galaktik. Ser. Kosmos, astronomiya. M.: Znanie, 1990. 3.