Андромеда - галактика, также известная как M31 и NGC224. Это спиральное образование, расположенное на расстоянии примерно 780 kp (2,5 млн от Земли.
Андромеда - галактика, находящаяся ближе всего к Млечному Пути. Названа она в честь одноименной мифической принцессы. Наблюдения 2006 года позволили сделать вывод, что здесь насчитывается около триллиона звезд - как минимум в два раза больше, чем во Млечном Пути, где их существует порядка 200 - 400 млрд. Ученые считают, что столкновение Млечного Пути и галактики Андромеды случится примерно через 3,75 млрд лет, и в итоге будет образована гигантская эллиптическая или дисковая галактика. Но об этом чуть позже. Сначала узнаем, как выглядит "мифическая принцесса".
На рисунке изображена Андромеда. Галактика имеет бело-голубые полосы. Они образуют вокруг нее кольца и укрывают горячие раскаленные гигантские звезды. Темные сине-серые полосы резко контрастируют на фоне этих ярких колец и показывают области, где в плотных облачных коконах образование звезд только начинается. При наблюдении в видимой части спектра кольца Андромеды больше похоже на спиральные рукава. В ультрафиолетовом диапазоне эти образования скорее напоминают кольцевые структуры. Они были ранее обнаружены телескопом НАСА. Астрономы считают, что эти кольца свидетельствует об образовании галактики в результате столкновения с соседней более 200 млн лет назад.
Спутники Андромеды
Так же как и Млечный Путь, Андромеда имеет ряд карликовых спутников, 14 из которых уже обнаружены. Самые известные - М32 и М110. Конечно, маловероятно, что звезды каждой из галактик столкнутся друг с другом, так как расстояния между ними очень большие. О том, что же в действительности произойдет, ученые имеют пока довольно смутные представления. Но уже придумано для будущей новорожденной название. Млекомеда - так именуют еще не родившуюся гигантскую галактику деятели науки.
Столкновения звезд
Андромеда - галактика, насчитывающая 1 трлн звезд (10 12), а Млечный Путь - 1 млрд (3*10 11). Однако шанс столкновения небесных тел ничтожно мал, так как между ними существует огромное расстояние. Например, ближайшая к Солнцу звезда Проксима Центавра находится на удалении в 4,2 световых лет (4*10 13 км), или 30 млн (3*10 7) диаметров Солнца. Представьте, что наше светило - это мячик для игры в настольный теннис. Тогда Проксима Центавра будет выглядеть как горошина, находящаяся на расстоянии 1100 км от него, а сам Млечный Путь простираться вширь на 30 млн км. Даже звезды в центре галактики (а именно там их наибольшее скопление) расположены с промежутками в 160 млрд (1,6*10 11) км. Это как один мячик для настольного тенниса на каждые 3,2 км. Поэтому шанс, что какие-нибудь две звезды столкнутся при слиянии галактик, чрезвычайно мал.
Столкновение черных дыр
Галактика Андромеды и Млечный Путь имеют центральные Стрелец А (3,6*10 6 масс Солнца) и объект внутри P2 скопления Галактического ядра. Эти черные дыры сойдутся в одной точке возле центра новообразованной галактики, передавая орбитальную энергию звездам, которые со временем сместятся на более высокие траектории. Вышеописанный процесс может занять миллионы лет. Когда черные дыры приблизятся на расстояние одного светового года друг от друга, они начнут испускать гравитационные волны. Орбитальная энергия станет еще мощнее, до тех пор пока слияние не завершится полностью. Исходя из данных моделирования, проведенного в 2006 году, Земля может быть сначала отброшена почти к самому центру новообразованной галактики, затем пройдет около одной из черных дыр и будет извержена за пределы Млекомеды.
Подтверждения теории
Галактика Андромеды приближается к нам со скоростью примерно 110 км в секунду. Вплоть до 2012 г. не было никаких способов узнать, произойдет столкновение или нет. Сделать вывод о том, что оно почти неминуемо, ученым помог Космический Телескоп Хаббла. После отслеживания перемещений Андромеды с 2002 по 2010 г. был сделан вывод, что столкновение случится примерно через 4 млрд лет.
Подобные явления широко распространены в космосе. Например, считается, что Андромеда в прошлом взаимодействовала как минимум с одной галактикой. А некоторые карликовые галактики, такие как SagDEG, и сейчас продолжают сталкиваться с Млечным Путем, создавая единое образование.
Исследования также показывают, что М33, или Галактика Треугольника, - третий по размерам и самый яркий представитель Местной группы - тоже будет участвовать в этом событии. Наиболее вероятной ее судьбой будет заход на орбиту образовавшегося после слияния объекта, а в далеком будущем - окончательное объединение. Однако столкновение М33 с Млечным Путем раньше, чем приблизится Андромеда, или наша Солнечная Система будет отброшена за пределы Местной группы, исключается.
Судьба Солнечной Системы
Ученые из Гарварда утверждают, что сроки объединения галактик будут зависеть от тангенциальной скорости Андромеды. Исходя из расчетов, сделали вывод, что есть 50% шанс, что при слиянии Солнечная Система будет отброшена на расстояние, втрое превышающее текущее до центра Млечного Пути. Точно не известно, как поведет себя галактика Андромеда. Планета Земля тоже находится под угрозой. Ученые говорят о 12% вероятности, что мы через некоторое время после столкновения будем отброшены за пределы нашего бывшего "дома". Но это событие, скорее всего, не произведет сильных неблагоприятных эффектов на Солнечную Систему, и небесные тела не будут разрушены.
Если исключить планетарную инженерию, то ко времени поверхность Земли сильно раскалится и на ней не останется воды в жидком состоянии, а значит и жизни.
Вероятные побочные явления
Когда объединяются две спиральные галактики, водород, присутствующий на их дисках, сжимается. Начинается усиленное образование новых звезд. Например, это можно наблюдать во взаимодействующей галактике NGC 4039, иначе известной как "Антенны". В случае слияния Андромеды и Млечного Пути считается, что газа на их дисках останется мало. Звездообразование будет не таким интенсивным, хотя вполне вероятно зарождение квазара.
Результат слияния
Галактику, образованную при слиянии, ученые предварительно называют Млекомеда. Результат моделирования показывает, что получившийся объект будет носить эллиптическую форму. Его центр будет иметь меньшую плотность звезд, чем современные эллиптические галактики. Но вероятна также и дисковая форма. Многое будет зависеть от того, сколько газа останется в пределах Млечного Пути и Андромеды. В недалеком будущем оставшиеся сольются в один объект, и это будет означать начало новой эволюционной ступени.
Факты об Андромеде
- Андромеда - самая большая Галактика в Местной группе. Но, вероятно, не самая массивная. Ученые предполагают что во Млечном Пути сосредоточено больше и именно это делает нашу галактику более массивной.
- Деятели науки исследуют Андромеду с целью понять происхождение и эволюцию подобных ей образований, ведь это ближайшая к нам спиральная галактика.
- Андромеда с Земли выглядит потрясающе. Многим даже удается ее сфотографировать.
- Андромеда имеет очень плотное галактическое ядро. Не только огромные звезды расположены в ее центре, но также по меньшей мере одна сверхмассивная черная дыра, спрятанная в сердцевине.
- Ее спиральные рукава искривились в результате гравитационного взаимодействия с двумя соседними галактиками: М32 и М110.
- Внутри Андромеды обращаются как минимум 450 шаровых звездных скоплений. Среди них - одни из наиболее плотных, которые удалось обнаружить.
- Галактика Андромеда - самый удаленный объект, который можно увидеть невооружённым глазом. Вам понадобится хорошая точка обзора и минимум яркого света.
В заключение хочется посоветовать читателям почаще поднимать свой взгляд на звездное небо. Оно хранит много нового и неизведанного. Найдите немного свободного времени, чтобы понаблюдать за космосом в выходные. Галактика Андромеды на небе - зрелище, которое непременно стоит увидеть.
Млечный Путь
и Туманность Андромеды
– самые крупные из 40 с небольшим галактик, образующих нашу локальную группу.
Локальная группа галактик объединяется силами гравитации, и поэтому их ожидает не разлет, а постепенное слияние.
Слияние галактик Млечного пути и Андромеды (образно)
Как установили астрономы, 4,7 миллиарда лет назад, когда только образовалось наше Солнце, Андромеду и Млечный путь разделяла дистанция в 4,2 млн. световых лет, а к настоящему времени она уменьшилась до 2,5-2,6 млн. световых лет, причем скорость сближения постоянно возрастает.
Ещё в 1912 году американский астроном Весто Слайфер, на основе анализа доплеровского смещения спектральных линий звезд, установил, что Андромеда двигается по направлению к Солнцу со скоростью около 300 км/с.
К середине XX века выяснилось, что большая скорость сближения Андромеды с Солнечной системой в основном связана с орбитальным движением самой Солнечной системы вокруг центра Галактики со скоростью примерно 225 км/с, направленной приблизительно в сторону Андромеды.
По уточненным оценкам, скорость сближения собственно галактик – Млечного Пути и Андромеды составляет 110-120 км/с. Причем, проведенные в период 2002-2010 гг. с помощью космического телескопа «Хаббл» измерения, показали, что Андромеда приближается к нам почти по прямой и «столкновение» галактик почти неизбежно.
Говоря «столкновение», надо понимать, что физическое столкновение объектов вроде звезд из-за малой концентрации вещества в галактиках и крайней удалённости объектов друг от друга маловероятно.
К примеру, ближайшая к Солнцу звезда, Проксима Центавра, находится на расстоянии примерно в 4,22 светового года от Земли, что в 270 000 раз больше расстояния от Земли до Солнца. Для сравнения: если бы Солнце было размером с монету диаметром в 2,5 сантиметра, то ближайшая монета/звезда находилась бы на расстоянии 718 километров.
Учеными прогнозируется, что через 4 млрд лет вначале пересекутся гало галактик, что усилит их взаимное гравитационное притяжение, и спустя еще 2-3 млрд лет эти две звездные системы окончательно сольются в единый конгломерат, которому уже придумали название «Млекомеда» (Milkomeda), составленное из бытового названия нашей Галактики – Млечный Путь (Milky Way) и «Андромеда».
Исходя из расчетов, звёзды и газ галактики Андромеда станут видны невооружённым глазом с Земли примерно через три миллиарда лет.
"Сегодня галактика Андромеды с Земли выглядит как маленький нечеткий объект. Астрономы впервые рассмотрели его более тысячи лет назад", – говорит Роланд ван дер Марель из Научного института космического телескопа в Балтиморе. "Мало что занимает людей больше, чем вопросы, связанные с космосом. И мы можем предсказать, что этот маленький нечеткий объект в один прекрасный день может поглотить наше Солнце и всю Солнечную систему", – добавляет астроном.
В результате слияния галактик будет образовано гигантское скопление звезд, хаотически роящихся вокруг общего центра. В центре же возникнет система из двух сверхмассивных черных дыр, в которые превратятся бывшие центры двух галактик. Они станут все более активно поглощать материю, которая, разгоняясь вблизи черных дыр, станет испускать мощные гамма-лучи. Кроме того, рядом с черными дырами сформируются мощные джеты – релятивистские струи материи, выбрасываемой с их полюсов. В местах столкновения джетов и газопылевых облаков возникнут яркие скопления молодых массивных звезд.
Какая же участь ожидает Солнечную систему при слиянии галактик?
По оценкам ученых, вероятность того, что в процессе этого слияния наше Солнце будет выброшено в межзвездное пространство, составляет 12 процентов. Но не исключено и то, что Солнечная система будет полностью захвачена Туманностью Андромеды – вероятность этого равна трем процентам.
Однако наиболее вероятен следующий сценарий: Солнечная система будет выброшена на периферию новой галактики, в область окружающего ее диффузного газового облака – гало. При этом она будет находиться на достаточно безопасном расстоянии – не менее 100 тысяч световых лет – от галактического центра.
Следует однако иметь в виду, что ко времени завершения слияния галактик
гораздо большее значение для жизни на Земле, чем все упомянутые выше сценарии, будет иметь эволюция нашего Солнца и последующее превращение его в красный гигант через 5-6 миллиардов лет.
Ученые, основываясь на наблюдениях, предполагают, что небольшой спутник Андромеды – Галактика Треугольника (М33) – также будет вовлечена в процесс слияния. Через 3-4 млрд лет после слияния Андромеды и Млечного Пути галактика М33 столкнётся с новообразованием ("Млекомедой") и, вероятно, сольётся с ним по тому же сценарию.
Будет ли так всё происходить или не совсем так, а может и вообще не так, достоверно об этом сегодня трудно судить, пытаясь заглядывать на миллиарды лет в будущее… . Ибо.
Спиральная галактика Водоворот (M51, NGC 5194/95). Ее ярко выраженная спиральная структура, по-видимому, возникла из-за гравитационного влияния меньшей галактики NGC 5195 (справа), свет которой частично заслоняется пылью на конце спирального рукава M51
Галактики представляются нам совершенно неизменными и стабильными объектами, но на самом деле их жизнь полна движения. Вселенная же подобна гигантскому перекрестку, на котором отключили светофоры. Правда, здесь многочисленные столкновения галактических объектов не разрушают их, а лишь способствуют эволюции галактик.
Изучение галактик началось, как это обычно бывает, с попытки систематизировать их по внешнему виду. Так возникла знаменитая хаббловская классификация, о которой речь пойдет позже. Но когда в 50-х годах прошлого века астрономы стали пристально изучать галактики, расположенные близко друг к другу, выяснилось, что многие из них имеют весьма необычный, или, как говорят, пекулярный, вид. Иногда, даже одиночные, они выглядят настолько «непрезентабельно», что их невозможно пристроить ни в одно место приличной во всех отношениях хаббловской последовательности. Часто они как бы протягивают друг другу руки тонкие звездные перемычки или выбрасывают в противоположные стороны длинные закрученные хвосты. Такие галактики стали называть взаимодействующими. Правда, их тогда наблюдалось не более 5% от числа нормальных объектов, и потому редко встречающиеся уродцы долгое время не привлекали особого внимания.
Одним из первых всерьез занялся их изучением Б.А. Воронцов-Вельяминов . С его легкой руки одна из самых необычных пар NGC 4676 получила название сначала Играющие Мышки, а потом и просто Мышки. Под таким прозвищем она и фигурирует теперь в серьезных научных статьях. Есть и другие интересные экземпляры пекулярных объектов, больше известные под своими «партийными кличками», чем под паспортными данными каталогов Антенны (NGC 4038/39), Атом Мира (NGC 7252), Водоворот (M 51 или NGC 5194/95).
Как влияет гравитация на внешний вид галактик, легче всего понять на примере тех объектов, у которых есть хвосты и перемычки. Вспомним, как Луна заставляет «вспучиваться» земной океан с двух противоположных сторон. Из-за вращения планеты эти приливные волны бегут по земной поверхности. Точно так же у дисковой галактики при сближении с другой галактикой возникают приливные горбы, вытянутые как в направлении возмутителя спокойствия, так и в противоположном. Позже эти горбы закручиваются в длинные хвосты из звезд и газа из-за дифференциального вращения: периоды обращения звезд вокруг центра галактики растут с удалением от центра. Подобную картину удалось воспроизвести в компьютерных экспериментах, когда астрономы занялись численным моделированием гравитационного взаимодействия галактик.
Первые модели были почти игрушечными. В них движение пробных частиц, распределенных на круговых орбитах вокруг массивной точки, возмущалось пролетающей мимо другой массивной точкой. На таких моделях в 1972 году братья Алар и Юри Тумре (Alar & Juri Toomre) всесторонне изучили, как зависит образование приливных структур от параметров столкновения галактик. Например, оказалось, что звездные мосты, соединяющие галактики, хорошо воспроизводятся при взаимодействии объекта с маломассивной галактикой, а хвосты при столкновении дисковой системы с галактикой сравнимой массы. Другой интересный результат получался при пролете возмущающего тела мимо диска спиральной галактики в одном направлении с его вращением. Относительная скорость движения оказывалась небольшой, спиральной галактики последствиям. Братья Тумре построили модели ряда известных взаимодействующих систем, в том числе Мышек, Антенн и Водоворота, и высказали важнейшую мысль, что итогом столкновения галактик может быть полное слияние их звездных систем мержинг.
Но игрушечные модели не могли даже проиллюстрировать эту идею, а эксперимент над галактиками не поставишь. Астрономы могут лишь наблюдать разные стадии их эволюции, постепенно восстанавливая из разрозненных звеньев всю цепочку событий, растянутую на сотни миллионов и даже миллиарды лет. Когда-то Гершель очень точно сформулировал эту особенность астрономии: «[Небо] мне представляется теперь чудесным садом, в котором размещено огромное количество самых разнообразных растений, высаженных на различные грядки и находящихся на разных стадиях развития; из такого состояния вещей мы можем извлечь по крайней мере одну пользу: наш опыт растянуть на огромные отрезки времени. Ведь не все ли равно, будем мы последовательно присутствовать при зарождении, цветении, одевании листьями, оплодотворении, увядании и, наконец, окончательной гибели растений или одновременно будем наблюдать много образцов, взятых на разных ступенях развития, через которые растение проходит в течение своей жизни?»
Алар Тумре сделал целую подборку из 11 необычных галактик-мержеров, которые, будучи выстроенными в определенную последовательность, отражали разные стадии взаимодействия от первого близкого пролета и распускания хвостов до последующего слияния в единый объект с торчащими из него усами, петлями и клубами дыма.
Галактики на разных стадиях слияния из последовательности Тумре
Но настоящий прорыв в исследованиях обеспечил космический телескоп «Хаббл». Одна из реализованных на нем исследовательских программ состояла в длительном до 10 суток подряд наблюдении двух небольших участков неба в Северном и Южном полушариях неба. Эти снимки получили название Глубоких полей «Хаббла». На них видно огромное количество далеких галактик. До некоторых из них больше 10 миллиардов световых лет, а значит, они на столько же лет моложе ближайших соседей нашей Галактики. Результат исследований внешнего вида, или, как говорят, морфологии далеких галактик, оказался ошеломляющим. Если бы Хаббл имел под рукой только изображения галактик из Глубоких полей, вряд ли он построил бы свой знаменитый «камертон». Среди галактик с возрастом около половины возраста Вселенной почти 40% объектов не укладываются в стандартную классификацию. Значительно больше оказалась и доля галактик с явными следами гравитационного взаимодействия, а значит, нормальные галактики должны были в молодости пройти через стадию уродцев. В более плотной среде ранней Вселенной столкновения и слияния оказались важнейшим фактором эволюции галактик.
Но для понимания этих процессов было уже недостаточно первых игрушечных моделей взаимодействия галактик. В первую очередь потому, что они не воспроизводили эффекты динамического трения звездных систем, которые в конечном счете приводят к потере энергии орбитального движения и слиянию галактик. Требовалось научиться полноценно рассчитывать поведение систем из миллиардов притягивающих друг друга звезд.
Камертон Хаббла
Классификацию галактик по их морфологии Эдвин Хаббл предложил в 1936 году. На левом конце этой последовательности расположены эллиптические галактики сфероидальные системы разной степени сплюснутости. Далее она тянется к плоским спиральным галактикам, выстроенным в порядке уменьшения степени закрутки их спиральных ветвей и массы их сферической подсистемы балджа. Отдельно стоят неправильные галактики, вроде двух самых заметных спутников Млечного Пути, видимых на небе Южного полушария, Большого и Малого Магеллановых Облаков. При переходе к спиральным галактикам хаббловская последовательность раздваивается, давая начало самостоятельной ветви спиральных галактик с перемычками, или барами, гигантскими звездными образованиями, пересекающими ядро галактики, от концов которых отходят спиральные ветви. Считается даже, что это не просто самостоятельная ветвь классификации, а чуть ли не основная, так как барами обладают от половины до двух третей спиральных галактик. По причине раздвоенности эту классификацию часто называют «камертоном Хаббла».
Проблема предсказания движения большого числа массивных точек, взаимодействующих по закону всемирного тяготения, получила в физике название задачи N тел. Решить ее можно только методом численного моделирования. Задав массы и положения тел в начальный момент, можно по закону тяготения вычислить действующие на них силы. Полагая эти силы неизменными в течение короткого отрезка времени, легко рассчитать новое положение всех тел по формуле равноускоренного движения. А повторяя эту процедуру тысячи и миллионы раз, можно смоделировать эволюцию всей системы.
В галактике вроде нашей более ста миллиардов звезд. Напрямую рассчитать их взаимодействие не под силу даже современным суперкомпьютерам. Приходится прибегать к разного рода упрощениям и ухищрениям. Например, можно представлять галактику не реальным числом звезд, а таким, какое может осилить компьютер. В 1970-х годах брали всего по 200500 точек на галактику. Но расчет эволюции таких систем приводил к нереалистичным результатам. Поэтому все эти годы шла борьба за увеличение числа тел. Сейчас обычно берут по нескольку миллионов звезд на галактику, хотя в отдельных случаях при моделировании зарождения первых структур во Вселенной используют до десяти миллиардов точек.
Другое упрощение состоит в приближенном расчете взаимного притяжения тел. Так как сила тяготения быстро убывает с расстоянием, притяжение каждой далекой звезды не обязательно вычислять слишком точно. Далекие объекты можно сгруппировать, заменив одной точкой суммарной массы. Эта методика получила название TREE CODE (от англ. tree дерево, поскольку группы звезд собираются в сложную иерархическую структуру). Сейчас это самый популярный подход, многократно ускоряющий вычисления.
Но и на этом астрономы не успокоились. Они даже разработали специальный процессор GRAPE, который не умеет делать ничего, кроме расчета взаимного гравитационного притяжения N тел, но зато с этой задачей справляется чрезвычайно быстро!Численное решение задачи N тел подтвердило идею Тумре о том, что две спиральные галактики при столкновении могут слиться в один объект, весьма похожий на эллиптическую галактику. Интересно, что совсем незадолго до получения этого результата известный астроном Жерар де Вокулер на симпозиуме Международного астрономического союза скептически заявлял: «После столкновения вы получите искореженный автомобиль, а не новый тип автомобиля». Но в мире взаимодействующих галактик два столкнувшихся автомобиля, как это ни странно, превращаются в лимузин.
Последствия слияния галактик оказываются еще более поразительными, если учесть наличие у них газовой составляющей. В отличие от звездной составляющей газ может терять кинетическую энергию: она переходит в тепло, а потом в излучение. При слиянии двух спиральных галактик это приводит к тому, что газ «стекает» к центру продукта слияния мержера. Часть этого газа очень быстро превращается в молодые звезды, что приводит к феномену ультраярких инфракрасных источников.
Интересен также эффект от столкновения маленького «спутника» с большой спиральной галактикой. Последняя в итоге увеличивает толщину своего звездного диска. Статистика наблюдательных данных подтверждает результаты численных экспериментов: спиральные галактики, входящие в состав взаимодействующих систем, в среднем в 1,52 раза толще, чем одиночные. Если маленькая галактика умудряется «въехать» буквально в лоб крупной спиральной, перпендикулярно ее плоскости, то в диске возбуждаются расходящиеся кольцеобразные волны плотности, как от камня, брошенного в пруд. Вместе с обрывками спиральных ветвей между гребнями волн галактика становится похожей на тележное колесо. Именно так и называется один из уродцев мира галактик. Лобовые столкновения очень редки, тем более удивительно, что в спокойной галактике Туманность Андромеды обнаружены две такие волны. Об этом в октябре 2006 года сообщила команда астрономов, обрабатывающая наблюдения космического телескопа «Спитцер». Кольца хорошо видны в инфракрасном диапазоне в той области, где излучает пыль, связанная с газовым диском. Компьютерное моделирование показало, что причиной необычной морфологии нашей ближайшей соседки является ее столкновение с галактикой-спутником M32, который около 200 миллионов лет назад пронзил ее насквозь.Судьба самих спутников галактик более печальна. Приливные силы, в конце концов, буквально размазывают их по орбите. В 1994 году в созвездии Стрельца был обнаружен необычного вида карликовый спутник Млечного Пути. Частично разрушенный приливными силами нашей Галактики, он вытянулся в длинную ленту, состоящую из движущихся групп звезд протяженностью на небе около 70 градусов, или 100 тысяч световых лет! Кстати, карликовая галактика в Стрельце теперь числится ближайшим спутником нашей Галактики, отняв это звание у Магеллановых Облаков. До нее всего около 50 тысяч световых лет. Другая гигантская звездная петля обнаружена в 1998 году вокруг спиральной галактики NGC 5907. Численные эксперименты очень хорошо воспроизводят такие структуры.
Модель столкновения спиральных галактик. Третий кадр очень напоминает галактики Мышки (Т время в миллионах лет)
Охота на темную материю
Еще в начале 1970-х годов появились серьезные доводы в пользу того, что галактики помимо звезд и газа содержат так называемые темные гало. Теоретические аргументы следовали из соображений устойчивости звездных дисков спиральных галактик, наблюдательные из больших, не спадающих к краю скоростей вращения газа на далекой периферии галактических дисков (звезд там уже почти нет, и поэтому скорость вращения определяют по наблюдениям газа). Если бы вся масса галактики содержалась преимущественно в звездах, то орбитальные скорости газовых облаков, расположенных за пределами звездного диска, становились бы с расстоянием все меньше и меньше. Именно это наблюдается у планет в Солнечной системе, где масса в основном сосредоточена в Солнце. В галактиках это зачастую не так, что указывает на наличие какого-то дополнительного, массивного, а главное протяженного компонента, в чьем гравитационном поле газовые облака приобретают большие скорости.
Численные модели звездных дисков также преподносили сюрпризы. Диски оказались очень «хрупкими» образованиями они быстро и порой катастрофически изменяли свою структуру, самопроизвольно сворачиваясь из плоской и круглой лепешки в батон, по-научному бар. Ситуация отчасти прояснилась, когда в математическую модель галактики ввели массивное темное гало, не дающее вклада в ее общую светимость и проявляющее себя лишь через гравитационное воздействие на звездную подсистему. О структуре, массе и других параметрах темных гало мы можем судить лишь по косвенным признакам.
Один из способов получить информацию о строении темных гало изучение протяженных структур, которые образуются у галактик при их взаимодействии. Например, иногда при близком пролете одна галактика «крадет» у другой часть газа, «наматывая» его на себя в виде протяженного кольца. Если повезет и кольцо окажется перпендикулярным плоскости вращения галактики, то такая структура полярное кольцо может довольно долго просуществовать не разрушаясь. Но сам процесс формирования подобных деталей сильно зависит от распределения массы на больших расстояниях от центра галактики, где звезд уже почти нет. Например, существование протяженных полярных колец удается объяснить, только если масса темных гало будет примерно вдвое превышать массу светящегося вещества галактики.Приливные хвосты также служат надежными индикаторами присутствия темной материи в периферийных областях галактик. Их можно назвать термометрами «наоборот»: чем больше масса темного вещества, тем короче «ртутный столбик», в роли которого выступает приливной хвост.
Два замечательных открытия внегалактической астрономии существование темной материи и мержинг галактик сразу взяли на вооружение космологи, тем более что ряд космологических наблюдательных тестов тоже указывал: темного вещества в природе примерно на порядок больше, чем обычного. Пожалуй, первое свидетельство существования скрытой массы было получено еще в 1933 году, когда Ф. Цвикки заметил, что галактики в скоплении Волос Вероники двигаются быстрее, чем ожидалось, а значит, должна быть какая-то невидимая масса, удерживающая их от разлета. Природа темной материи остается неизвестной, поэтому обычно говорят о некоем абстрактном холодном темном веществе (cold dark matter, CDM), которое с обычным веществом взаимодействует только гравитационно. Но именно оно благодаря своей большой массе служит тем активным фоном, на котором разыгрываются все сценарии зарождения и роста структур во Вселенной. Обычное же вещество лишь пассивно следует предлагаемому сценарию.
Эти представления легли в основу так называемого сценария иерархического скучивания. По нему первичные возмущения плотности темной материи возникают за счет гравитационной неустойчивости еще в молодой Вселенной, а затем умножаются, сливаясь друг с другом. В итоге образуется множество гравитационно-связанных темных гало, различающихся по массе и угловому (вращательному) моменту. Газ скатывается в гравитационные ямы темных гало (этот процесс называется аккрецией), что и приводит к появлению галактик. История слияний и аккреции каждого сгустка темной материи во многом определяет тип галактики, которая в нем зарождается.
Привлекательность сценария иерархического скучивания в том, что он очень неплохо описывает крупномасштабное распределение галактик. Самый впечатляющий численный эксперимент, проведенный в рамках этого сценария, носит название Millenium Simulation. О его результатах астрономы доложили в 2005 году. В эксперименте решалась задача N тел для 10 миллиардов (!) частиц в кубике с ребром 1,5 миллиарда парсек. В итоге удалось проследить эволюцию перепадов плотности темной материи от момента, когда Вселенной было всего 120 миллионов лет, до наших дней. За это время почти половина темной материи успела собраться в темные гало различных размеров, которых насчитывалось около 18 миллионов штук. И хотя полного и безоговорочного согласия с результатами наблюдений крупномасштабной структуры получить не удалось, все еще впереди.
В поисках пропавших карликов
Сценарий иерархического скучивания предсказывает, что в гало больших спиральных галактик, вроде нашей, должны существовать сотни «мини-ям», служащих зародышами карликовых галактик-спутников. Отсутствие такого количества небольших спутников создает некоторые трудности для стандартной космологии. Однако не исключено, что все дело просто в недооценке реального числа карликовых галактик. Именно поэтому так важен их целенаправленный поиск. С появлением больших цифровых обзоров неба, хранящихся в специальных электронных архивах и доступных всем желающим, астрономы все чаще ведут такой поиск не на небе, а на экране монитора.
В 2002 году команда исследователей под руководством Бет Вилман начала поиск неизвестных спутников Млечного Пути в Слоуновском цифровом обзоре неба. Поскольку поверхностная яркость у них ожидалась очень низкая в сотни раз слабее ночного свечения атмосферы, искать решили участки неба со статистически значимым избытком далеких красных гигантов ярких звезд, находящихся на завершающей стадии своей эволюции. Первый успех пришел в марте 2005 года. В созвездии Большой Медведицы на расстоянии 300 тысяч световых лет от нас была открыта карликовая сфероидальная галактика. Она стала тринадцатым спутником Млечного Пути, причем с рекордно низкой светимостью вместе все ее звезды излучают как один сверхгигант, например Денеб ярчайшая звезда в созвездии Лебедя. Обнаружить эту галактику удалось на пределе возможностей метода. Чрезвычайно урожайным на спутники нашей Галактики оказался 2006 год, когда двумя другими командами исследователей было открыто сразу семь карликовых сфероидальных галактик вокруг Млечного Пути. И это, по-видимому, не предел.
Итак, галактики вырастают из маленьких систем, которые через множественные слияния образуют большие. Одновременно с процессом слияния происходит «осаждение» (аккреция) газа и маленьких галактик-спутников на большие галактики. Пока до конца неясно, в какой степени оба эти процесса определяют современный взрослый вид галактик хаббловские типы.
Но и после взросления галактики продолжают меняться. С одной стороны, изменения вызываются гравитационными взаимодействиями между ними, которые могут даже приводить к смене типа галактики, а с другой медленными процессами динамической эволюции уже вполне сформировавшихся объектов. Например, звездные диски спиральных галактик подвержены разного рода неустойчивостям. В них могут самопроизвольно образовываться бары«перемычки», при посредстве которых газ эффективно «сгоняется» в центральные области галактик, что ведет к перераспределению вещества в системе. Сами бары также медленно эволюционируют растут как в длину, так и в ширину. Да и сама спиральная структура галактики это результат действия неустойчивости.
Когда-то Хаббл разделил галактики следующим образом. Эллиптические были отнесены к ранним типам, а линейка спиральных ко все более и более поздним. Возможно, из-за этого «камертону Хаббла» придавали эволюционный смысл. Однако динамическая эволюция галактик идет, скорее, в обратном направлении от поздних типов к ранним в сторону медленного роста центральной сфероидальной подсистемы балджа. Но так или иначе все три процесса слияния, аккреции и медленной вековой эволюции ответственны за внешний вид галактик. Многое в этой картине мы уже понимаем, но еще больше нам предстоит узнать и понять.
Наталья Сотникова, кандидат физико-математических наук
Андромеда — галактика, также популярная как M31 и NGC224. Это спиральное образование, расположенное на расстоянии примерно 780 kp (2,5 млн световых лет) от Земли.
Андромеда — галактика, находящаяся поближе всего к Млечному Пути. Названа она в честь одноименной мифической принцессы. Наблюдения 2006 года позволили сделать вывод, что тут насчитывается около триллиона звезд — как минимум вдвое больше, чем во Млечном Пути, где их существует порядка 200 — 400 млрд. Ученые считают, что столкновение Млечного Пути и галактики Андромеды случится примерно через 3,75 млрд лет, и в конечном итоге будет образована огромная эллиптическая либо дисковая галактика. Но об этом чуть позже. Сначала узнаем, как смотрится «мифическая принцесса».
На рисунке изображена Андромеда. Галактика имеет бело-голубые полосы. Они образуют вокруг нее кольца и укрывают жаркие раскаленные огромные звезды. Темные сине-серые полосы резко контрастируют на фоне этих ярких колец и показывают области, где в плотных облачных коконах образование звезд только начинается. При наблюдении в видимой части спектра кольца Андромеды больше похоже на спиральные рукава. В ультрафиолетовом спектре эти образования скорее напоминают кольцевые структуры. Они были ранее обнаружены телескопом НАСА. Астрологи считают, что эти кольца свидетельствует об образовании галактики в результате столкновения с соседней более 200 млн лет назад.
Так же как и Млечный Путь, Андромеда имеет ряд миниатюрных спутников, 14 из которых уже обнаружены. Самые известные — М32 и М110. Конечно, маловероятно, что звезды каждой из галактик столкнутся вместе, так как расстояния между ними очень огромные. О том, что же в реальности произойдет, ученые имеют пока достаточно смутные представления. Но уже придумано для будущей новорожденной название. Млекомеда — так называют еще не родившуюся огромную галактику деятели науки.
Столкновения звезд
Андромеда — галактика, насчитывающая 1 трлн звезд (1012), а Млечный Путь — 1 млрд (3*1011). Однако шанс столкновения небесных тел ничтожно мал, так как между ними существует огромное расстояние. Например, наиблежайшая к Солнцу звезда Проксима Центавра находится на удалении в 4,2 световых лет (4*1013км), либо 30 млн (3*107) поперечников Солнца. Представьте, что наше светило — это мячик для игры в настольный теннис. Тогда Проксима Центавра будет смотреться как горошина, находящаяся на расстоянии 1100 км от него, а сам Млечный Путь простираться вширь на 30 млн км. Даже звезды в центре галактики (а конкретно там их наибольшее скопление) расположены с промежутками в 160 млрд (1,6*1011) км. Это как один мячик для настольного тенниса на каждые 3,2 км. Поэтому шанс, что какие-нибудь две звезды столкнутся при слиянии галактик, чрезвычайно мал.
Столкновение черных дыр
Галактика Андромеды и Млечный Путь имеют центральные сверхмассивные черные дыры: Стрелец А (3,6*106 масс Солнца) и объект снутри P2 скопления Галактического ядра. Эти черные дыры сойдутся в одной точке около центра новообразованной галактики, передавая орбитальную энергию звездам, которые со временем сместятся на более высочайшие траектории. Вышеперечисленный процесс может занять миллионы лет. Когда черные дыры приблизятся на расстояние одного светового года друг от друга, они начнут испускать гравитационные волны. Орбитальная энергия станет еще мощнее, до тех пор пока слияние не закончится полностью. Исходя из данных моделирования, проведенного в 2006 году, Земля может быть сначала отброшена почти к самому центру новообразованной галактики, потом пройдет около одной из черных дыр и будет извержена за границы Млекомеды.
Подтверждения теории
Галактика Андромеды приближается к нам со скоростью примерно 110 км за секунду. Прямо до 2012 г. не было никаких способов узнать, произойдет столкновение либо нет. Сделать вывод о том, что оно почти неминуемо, ученым помог Космический Телескоп Хаббла. После отслеживания перемещений Андромеды с 2002 по 2010 г. был сделан вывод, что столкновение случится примерно через 4 млрд лет.
Подобные явления широко распространены в космосе. Например, считается, что Андромеда в прошлом вела взаимодействие как минимум с одной галактикой. А некоторые карликовые галактики, такие как SagDEG, и сейчас продолжают сталкиваться с Млечным Путем, создавая единое образование.
Исследования также показывают, что М33, либо Галактика Треугольника, — третий по размерам и самый яркий представитель Местной группы — тоже будет участвовать в этом событии. Наиболее возможной ее судьбой будет заход на орбиту образовавшегося после слияния объекта, а в дальнем будущем — окончательное объединение. Однако столкновение М33 с Млечным Путем раньше, чем приблизится Андромеда, либо наша Солнечная Система будет отброшена за границы Местной группы, исключается.
Судьба Солнечной Системы
Ученые из Гарварда утверждают, что сроки объединения галактик будут зависеть от тангенциальной скорости Андромеды. Исходя из расчетов, сделали вывод, что есть 50% шанс, что при слиянии Солнечная Система будет отброшена на расстояние, в три раза превышающее текущее до центра Млечного Пути. Точно не понятно, как поведет себя галактика Андромеда. Планета Земля тоже находится под угрозой. Ученые молвят о 12% вероятности, что мы через некоторое время после столкновения будем отброшены за границы нашего бывшего «дома». Но это событие, скорее всего, не произведет сильных неблагоприятных эффектов на Солнечную Систему, и небесные тела не будут разрушены.
Если исключить планетарную инженерию, то ко времени столкновения галактик поверхность Земли сильно раскалится и на ней не останется воды в водянистом состоянии, а означает и жизни.
Возможные побочные явления
Когда объединяются две спиральные галактики, водород, присутствующий на их дисках, сжимается. Начинается усиленное образование новых звезд. Например, это можно наблюдать во взаимодействующей галактике NGC 4039, по другому известной как «Антенны». В случае слияния Андромеды и Млечного Пути считается, что газа на их дисках останется мало. Звездообразование будет не таким насыщенным, хотя полностью возможно зарождение квазара.
Результат слияния
Галактику, образованную при слиянии, ученые предварительно называют Млекомеда. Результат моделирования показывает, что получившийся объект будет носить эллиптическую форму. Его центр будет иметь меньшую плотность звезд, чем современные эллиптические галактики. Но возможна также и дисковая форма. Многое будет зависеть от того, сколько газа останется в пределах Млечного Пути и Андромеды. В недалеком будущем оставшиеся галактики Местной группы сольются в один объект, и это будет означать начало новой эволюционной ступени.
Факты об Андромеде
Андромеда — самая большая Галактика в Местной группе. Но, возможно, не самая массивная. Ученые предполагают что во Млечном Пути сосредоточено больше темной материи, и конкретно это делает нашу галактику более массивной. Деятели науки изучат Андромеду с целью понять происхождение и эволюцию подобных ей образований, ведь это наиблежайшая к нам спиральная галактика. Андромеда с Земли смотрится потрясающе. Многим даже удается ее сфотографировать. Андромеда имеет очень плотное галактическое ядро. Не только огромные звезды расположены в ее центре, но также по меньшей мере одна сверхмассивная черная дыра, спрятанная в сердцевине. Ее спиральные рукава скривились в результате гравитационного взаимодействия с 2-мя соседними галактиками: М32 и М110. Снутри Андромеды обращаются как минимум 450 шаровых звездных скоплений. Среди них — одни из наиболее плотных, которые удалось обнаружить. Галактика Андромеда — самый удаленный объект, который можно увидеть невооружённым глазом. Вам понадобится хорошая точка обзора и минимум яркого света.
В заключение хочется посоветовать читателям почаще поднимать свой взор на звездное небо. Оно хранит много нового и неизведанного. Найдите немного свободного времени, чтобы понаблюдать за космосом в выходные. Галактика Андромеды на небе — зрелище, которое непременно стоит увидеть.
Скриншот из приложения
Космос, бескрайний и величественный космос… Как много загадок таятся в его глубинах? Наверно, человек никогда не разгадает и половины из них. Наша Солнечная Система – это всего лишь частичка в бесконечном числе звездных скоплений – Галактик, колыбелей звезд и планетарных систем. Они неспешно плывут по бескрайним просторам Вселенной. Иногда случается, что пути Галактик пересекаются. Тогда происходят столкновения по-настоящему грандиозных масштабов.
При столкновении Галактик происходят выбросы энергии такой силы, что это слабо поддается осмыслению. В результате подобных событий слившиеся в одно Галактики начинают светиться с еще большей силой.
Столкновение галактик – процесс невероятно долгий, учитывая размеры этих космических объектов. Он может занимать миллионы и даже миллиарды лет. Естественно, ученым никогда не удастся наблюдать за процессом от начала до конца. Поэтому на помощь астрономам приходит вычислительная техника. Современные компьютеры позволяют воссоздать процесс, ускоренный в тысячи и тысячи раз.
Галактические столкновения на экране монитора
Интерактивное 3D столкновение двух галактик позволяет взглянуть на процесс столкновения каждому из нас.
Можно наблюдать, как сталкиваются две Галактики. При этом гравитация притягивает их ядра, которыми чаще всего являются черные дыры, и они начинают свой космический танец. При этом часть звездных систем выбрасывается за пределы области и они начинают свой одинокий путь по просторам космоса. В программе звездные системы представлены цветными точками.
Как пользоватся
Для навигации в программе используется мышь. Движением ее в окне приложения осуществляется смена ракурса, а вращение колесика позволяет изменять масштаб. Нажатие кнопки мыши приводит к сбросу моделирования. Процесс начинается заново.
Эта небольшая программа заставляет задуматься, а что же будет с нашим миром, когда через три миллиарда лет пересекутся Млечный Путь и Туманность Андромеды, спешащие навстречу друг другу? Окажемся ли мы на задворках Вселенной одинокой блуждающей Солнечной Системой? Или наше небо озарится новыми звездами? И будут ли вообще к тому времени люди на нашей Земле, которые застанут это?