Fizika galaktik i galakticheskih yader
12.12.2005 21:11 | "Sorosovskaya Enciklopediya"
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 –