Галактики: строение и классификация

Вступление
Практически каждый слышал о галактике, но очень мало людей из этой массы имеют хотя бы приближенное представление о том, что это такое, чаще всего галактику описывают как огромную вселенную с множеством звезд, планет, созвездий, которая имеет большие размеры, но чаще всего галактику воспринимают ровно также как звездную систему. Что же из себя представляет галактика? – она состоит из двух основных подсистем, а именно диска и гало, которые вложены одна в другую и при этом они гравитационно взаимосвязаны друг с другом. Первая часть галактики – сферическое гало, где звезды собираются ближе к центру галактики, там же плотность вещества выше и весьма быстро снижается при удалении от центра, при этом центральная (и наиболее плотная) часть гало в пределах нескольких тысяч световых лет от центра галактики носит название «балдж». Второй подсистемой является массивный звездный диск, настолько массивный что его масса составляет 150 миллиардов масс Солнца. Собою он представляет визуально две сложенные краями тарелки, при этом в диске концентрация звезд намного выше, нежели в гало.
В свою очередь именно центральная часть галактики является наиболее компактной и называется ядром Галактики. И если бы мы проживали на планете, которая расположилась вблизи звезды, что находится вблизи ядра галактики, то на небосклоне отражались бы десятки звезд, которые были бы примерно равны по яркости Луне и поэтому даже ночью было бы очень светло. Тем не менее Солнце располагается весьма далеко от ядра Галактики на дистанции в 8 КПК или 26 тысяч световых лет, именно поэтому, когда в окрестностях Солнца в диске одна звезда приходится на 8-мь кубических парсеков, то в центре Галактики в одном кубическом парсеке уже порядка десятка тысяч звезд. Сам же центр галактики располагается в направлении созвездия Стрельца. В 2004-м году было полностью доказано что в центре Галактики располагается черная дыра с массой что составляет порядка трех миллионов масс Солнца.
При этом в кольцевой области галактического диска от 3-х до 7-ми КПК находится практически все молекулярное вещество межзвездной среды (то есть облака газа и пыли), там же расположено наибольшее число пульсаров и источников инфракрасного света (невидимого). В тоже время видимое излучение центральных районов галактики практически полностью закрыто от нашего взора плотными слоями поглощающей материи ввиду того что Солнце располагается в плоскости галактического диска. При этом размеры галактики, примерно следующие: диаметр диска, составляет 30 КПК или 100 тыс. световых лет, толщина же диска равна тысяче световых лет.
Изучение движений звезд в галактике демонстрирует нам что галактический диск далеко не статичен – он вращается, при этом данное вращение осуществляется по часовой стрелке, если мы будем смотреть на Галактику со стороны ее северной оконечности (полюса), который находится в созвездии Волосы Вероники - исследования продемонстрировали что для галактики характерна четко выраженная спиральная структура, при этом спирали представляют собою волны плотности, которые разбегаются в сторону вращения диска Галактики с неизменной угловой скоростью.
Звезды Галактики
Звезды вращаются в Галактике не только согласно закону Ньютона, данный удивительный факт привел к ряду совершенно новых и уникальных открытий, которые связаны с понятием «темная материя». При этом наше собственное Солнце располагается посреди спиральных рукавов Персея и Стрельца, и оно движется со скоростью чуть более 200 км в секунду (215-220) и осуществляет полный оборот вокруг центра Галактики примерно за двести миллионов лет. За все время своего существования Солнце облетело Галактику около тридцати раз. Сама же скорость ращения Солнца вокруг центра Галактики фактически совпадает со скоростью, с которой в этом районе передвигаются спиральные рукава. Подобная ситуация
Довольно необычна для Галактики и есть лишь одно место в котором скорости спиральных рукавов и звезд сходятся воедино – это так называемая «коротационная окружность», именно рядом с нею располагается Солнце. Вероятно, как раз из-за этого возникла и смогла сохраниться жизнь на Земле. Ведь именно в спиральных рукавах происходят наиболее интенсивные процессы, которые испускают столь мощное излучение что было бы способным уничтожить всю жизнь на нашей планете. Именно поэтому тот факт, что наша планета находится на периферии галактического центра является именно благом, а не наоборот.
Звезды галактического диска получили название населения 1-го типа, а звезды гало были названы населением 2-го типа. К диску принято относить звезды раннего спектрального класса «В» и «О», другими словами – молодые звезды. При этом в гало входят объекты, которые возникли на ранней стадии эволюции Галактики. При этом возраст населения 2-го типа составляет около 10-12 миллиардов лет. Само же население первого типа отлично от населения второго типа значительным содержанием тяжелых элементов.
Опираясь на текущие представления, галактика сформировалась из газового облака, что вращалось с небольшой скоростью, но при этом размеры этого газового облака были в несколько десятков раз больше галактики. Изначально облако состояло из смеси в 75% водорода (Н) и 25% гелия (Не) и в нем почти не было тяжелых элементов. На протяжении примерно миллиарда лет данное облако свободно уплотнялось под воздействием гравитационных сил. Данный коллапс так или иначе привел бы к фрагментации и старту процесса образования звезд. Изначально данного газа было очень много, но он был разрежен и находился на значительных расстояниях плоскости вращения. Сначала появились звезды первого поколения, включая весьма массивные, и шаровые скопления. Их текущее пространственное распределение равно изначальному распределению газа, который был близок к сферическому.
При этом самые массивные звезды первого поколения быстро прошли этап эволюции и таким образом обогатили межзвездную среду тяжелыми элементами, преимущественно за счет вспышек сверхновой звезды. При этом та часть газа которая не превратилась в звезды, продолжила свой процесс сжатия по направлению к центру Галактики, но из-за сохранения момента количества движения, данное вращение становилось намного быстрее, появился диск и в нем стартовал повторно процесс образования звезд. Данное 2-е поколение звезд было богатым на тяжелые элементы, а оставшийся газ сжался в еще более тонкий слой, таким образом возникла плоская составляющая – основное место или площадка для современного образования звезд. Само собой разумеется, что выделения двух или же трех поколений звезд достаточно условно, вероятнее всего образование звезд было монолитным и непрерывным процессом, несмотря на то что в нем могли возникать отдельные этапы замедления. При этом анализ вращения тел в Галактике продемонстрировал что ее масса (галактики) должна быть в 10 раз больше той, что мы выявляем по видимым объектам. Соответственно, даже с учетом балджа, гало и диска наряду с находящимися в них наблюдаемыми газом и звездами, есть значительное количество невидимого вещества, которое может проявлять себя лишь в гравитационном взаимодействии, но при этом не определяется никакими приборами. Это вещество получило название «темной материи» (dark material), при этом диск и гало как бы погружены в корону темного вещества, при этом масса и размеры короны темной материи в десять раз больше, нежели размеры диска и масса видимого вещества галактики.
На данный момент это настоящая и масштабная научная проблема, ведь в 21-м веке, когда нам стало казаться что мы знаем очень много и даже почти все, мы не имеем ни малейшего понятия из чего состоит вещество, которым в основном и заполнена наша Вселенная. Существует гипотеза, согласно которой часть темной материи может находиться в коричневых карликах, а также в холодных, плотных молекулярных облачках, что имеют небольшие размеры и недоступны для стандартных наблюдений, также часть темной материи может заключаться в большом количестве нейтрино, что имеют нулевую массу покоя и практически полностью заполнили всю периферию галактики

. Вполне вероятно, что темное вещество в значительных количествах может находиться в погибших звездах, но существует достаточно популярная точка зрения космологов, согласно которой темная материя состоит не из барионов, а из особых частиц, которые сохранились после Большого взрыва (The Bing-Bang Theory).
Темная масса существует не только в нашей Галактике. Так, в середине восьмидесятых годов было установлено, что Местная группа галактик движется со скоростью более 600 км/с в сторону большого сверхскопления галактик. Эта скорость слишком велика, чтобы ее можно было объяснить гравитационным действием наблюдаемых галактик. Она свидетельствует о присутствии темной массы и между галактиками. Новейшие наблюдения слабых галактик с помощью чувствительных ПЗС-матриц позволили не просто подтвердить наличие скрытой массы в скоплениях галактик, но и "картографировать" ее распределение в скоплениях. В данном случае гравитация скопления "работает" в качестве собирающей линзы для изображений слабых голубых галактик находящихся далеко за самим скоплением. При этом изображения далеких галактик искажаются, "вытягиваясь" в дуги разной длины с центром, совпадающим с центром скопления.
Природа сама придумала для астрофизиков гигантский всеволновой космический телескоп, основанный на эффекте гравитационного линзирования. Это явление, основанное на общей теории относительности, было теоретически предсказано в тридцатые годы ХХ века Альбертом Эйнштейном. Если на пути света от далекого источника до нас есть какой-либо массивный объект, например, галактика, то лучи света в ее поле тяготения будут искривляться, и галактика выступит в роли линзы, собирающей свет. Результат, в частности, может заключаться в появлении кратного (двойного, тройного и т.д.) изображения одного и того же объекта, или усиления его яркости, если Земля оказалась на нужном расстоянии от гравитационной линзы. Первая гравитационная линза была открыта в 1979 г. Это был квазар.  Сейчас известно более 25 гравитационных линз. Среди гравитационных линз встречаются образования различной формы, а самыми эффектными выглядят кресты и кольца Эйнштейна. Природа же скрытой массы во Вселенной остается неясной до настоящего времени.
АКМ и Галактики
После изобретения телескопа внимание наблюдателей привлекли многочисленные светлые пятна туманного вида, видимые в разных созвездиях неизменно в одних и тех же местах. С помощью сильных телескопов В. Гершель и его сын Джон открыли множество таких туманных пятен, а к концу XIX века было обнаружено, что некоторые из них имеют спиральную форму. Но долго оставалось загадкой, что представляют собой эти туманности. Только в 20-е годы ХХ века с помощью крупнейших в то время телескопов удалось разложить туманности на звёзды. Галактики – это гигантские звёздные системы (до 1013 звёзд). 6-ти метровый телескоп позволяет сфотографировать миллиарды галактик. Наблюдаемая нами область Вселенной – это такие галактики, какими они были в далёком прошлом. Например, свет от ближайшей к нам галактики Андромеды, которую в состоянии увидеть человек с хорошим зрением в виде размытого пятна в созвездии, - достигает Земли через 1,5 млн. лет. Расстояние до самых дальних из наблюдаемых в настоящее время галактик – свыше 10 млрд. световых лет (в 2000 г. обнаружен квазар на расстоянии 24 млрд. световых лет от Земли). Большинство галактик входит в группы, в скопления галактик и в сверхскопления. Наблюдаются и одиночные галактики. Есть галактики-карлики в несколько десятков световых лет и галактики-великаны с поперечником до 18 млн. световых лет.
Классификация галактик
Большинство галактик относят к нескольким основным типам (по характерным внешним признакам, а мелкие различия галактик помогают подразделить эти типы на отдельные подтипы).
1. Эллиптические - круглая или эллиптическая форма (обозначаются Е, 25% от общего числа галактик) - наиболее простые галактики, не содержащие горячих звёзд сверхгигантов, пыли и газовых туманностей; нет ядра. Самые яркие звёзды – красные гиганты, звёзды движутся в произвольных направлениях с высокими скоростями. Делятся на 8 подтипов: от сферических систем Е0 до чечевицеобразных Е7 (цифра указывает степень сжатия).
2. Спиральные (S, 50%). Имеют два или более спиральных рукава, образующих плоский диск, в центральной области - сфероидальное вздутие (балдж), в котором находится ядро галактики. Богаты яркими газовыми туманностями, окружающими горячие звёзды-сверхгиганты; облаками тёмной газово-пылевой материи.
Делятся на:
а) обычные спиральные галактики (S) – ветви выходят из ядра;
б) пересечённые (SB) – ядро пересечено широкой, яркой полосой (перемычка, бар), от концов бара закручиваются спиральные рукава.
Спиральные галактики подразделяются на подтипы Sa, Sab, Sb, Sc, SBa и т.д. по относительным размерам ядра и диска (размеры ядра убывают от Sa к Sc). Некоторые спиральные системы видны в профиль как толстое или тонкое веретено, пересечённое полосой тёмного вещества, поглощающего свет. Наша галактика также является спиральной (Sb). Спиральные галактики окружены сфероидальной звёздной короной, в которой содержится значительная часть массы галактик.
3. Линзообразные, промежуточные галактики (S0, из них 20% предсказаны, а потом найдены). Яркость от центра к краю падает ступеньками. Различают ядро, «линзу» и слабый «ореол». Иногда в наружных частях линзы видны зачатки спиральных рукавов, перемычки и наружное светлое кольцо.
4. Неправильные (Ir, 5%). Имеют неправильную форму и клочковатое строение; яркость и светимость невелики; изобилуют горячими сверхгигантами, газовыми туманностями (Магеллановы Облака), пылью, взаимодействующими галактиками; большинство из них – карлики.
Делятся на подтипы:
а) Эти звёздные системы (Магеллановы Облака) – предельный случай спиральных галактик, чрезвычайно плоски, отсутствует ядро, осевое вращение;
б) По цвету и плавному изменению яркости к краям сходны с эллиптическими, а по спектру – со спиральными системами (М 82). Но нет типичных звёзд-сверхгигантов и ярких газовых туманностей. Облака газа движутся со скоростями более тысячи км/с во все стороны;
в) Пекулярные. Каждая из галактик имеет свою уникальную форму. Обычно двойные галактики, между которыми наблюдаются перемычки, хвосты, мостики светлой и тёмной материи и т. д. – признаки взаимного влияния близко расположенных галактик. Среди них в специальный класс выделены взаимодействующие галактики.
По морфологическим свойствам галактики с нестационарными ядрами отличаются от нормальных галактик генерацией мощного рентгеновского, УФ-, ИК- и радиоизлучения, выбросами радиоизлучающей плазмы, ускорением газовых облаков и т. д.
Принято подразделять на четыре основных типа:
1. Сейфертовские галактики (К. Сейферт, 1943 г., США). В большинстве своём – спиральные галактики с яркими ядрами. Они образуют наиболее многочисленный класс нестационарных галактик. Характерным свойством является присутствие в их оптических спектрах широких эмиссионных линий (газ движется с большими скоростями). К 1983 г. обнаружено около 200 таких галактик (1%.). Это, как правило, спиральные галактики типов Sa и Sb (70%) Они часто входят в состав шар и групп галактик, но избегают областей, занятых богатыми скоплениями. (Эти особенности присущи всем галактикам с УФ - избытком). Большинство из них развёрнуты к нам плашмя, есть несколько случаев ярких сейфертовских галактик, развернутых к нам ребром (по-видимому, ядра обладают анизотропией излучения). Ядра сейфертовских галактик – одни из самых мощных источников нетеплового излучения