5.4.4 Наша Галактика. Другие галактики. Пространственные масштабы наблюдаемой Вселенной

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.

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.

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.

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. 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».

Одни и те же основные типы галактик существуют по всей Вселенной. 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.

Галактики группируются вместе, образуя скопления — самые большие элементы Вселенной, скрепляемые воедино силой тяготения. Эти массивные нагромождения из тысяч галактик содержат резервуары очень горячего газа и темной материи, разбросанные между членами скопления.

Скопления галактик удерживает вместе сила тяготения. Как звезды движутся по орбитам в галактиках, так и галактики движутся по траекториям вокруг центра масс скопления. Типичное большое скопление галактик имеет массу в миллион миллиардов раз больше Солнца. Само пространство, время искривляется от такого количества материи в столь малом объеме. По аналогии с резиновым полотном скопления лежат во вмятине, образованной их собственным весом. Но в нее падают не только галактики — в яме пространства-времени накапливается и газ. Скопления галактик полны горячего газа. Из-за его высокой температуры — миллионы градусов Цельсия — это море газа светится достаточно ярко, чтобы испускать рентгеновские лучи, которые можно обнаружить со спутников. Горячий газ называют межкластерным носителем информации. Похожим образом в гравитационном колодце скоплений собирается темная материя. Поскольку астрономы надеются увидеть темную материю в новой среде, за пределами отдельных галактик, они высматривают в скоплениях необычные знаки, которые помогут им понять, из чего состоит темная материя. Скопления можно нелестно представить, как космические свалки: они так велики, что в них падает что попало. Потому они и интересны космическим археологам. Более того, как самые крупные объекты, какие удерживает вместе сила тяготения, они должны, по идее, содержать обычную и темную материи в тех же пропорциях, что и во всей Вселенной. Если бы можно было посчитать массу всех скоплений, получилась бы приблизительная величина общей массы Вселенной.