Лет пятнадцать назад многие астрономы не уделяли должного внимания процессу столкновения галактик и его значению в их эволюции. Но последние наблюдения, наряду с развитием теории и совершенствованием компьютерного моделирования, показали, что такие столкновения должны быть значительно более распространенными, чем считалось раньше. Кроме того, появились свидетельства того, что сталкивающиеся галактики часто сливаются в объекты нового типа. Теперь мы начинаем понимать, что такие столкновения управляют эволюцией многих галактик и приводят к формированию множества необычных объектов.
Взаимодействие между галактиками происходит совсем не так, как между привычными нам предметами. Расстояния между звездами в галактиках настолько велики, что даже при самых тесных сближениях галактик лишь несколько их звезд испытывают реальные столкновения.
Сталкиваться галактики могут по разному. Так, в некоторых крупных скоплениях галактики сближаются с очень большими скоростями — до нескольких тысяч километров в секунду, и все же проходят сквозь друг друга, почти не испытав повреждений. Но если же галактики будут сближаться со скоростью всего лишь несколько сотен километров в секунду, то они сильно "исковеркают;’ друг друга и, скорее всего, сольются через несколько сотен миллионов лет. Такое парадоксальное поведение отражает тот факт, что взаимодействие между галактиками управляется гравитационными силами. Чем медленнее происходит сближение двух галактик, тем больше времени галактики воздействуют друг на друга и тем более заметным становится результат их взаимодействия.
Столкновения галактик
Необычные галактики, окруженные узкими протяженными образованиями, названными хвостами и мостами, были хорошо известны начиная с 50-х годов. Длительное время эти объекты рассматривались как отклонение от нормы, и большинство астрономов не считало столкновения галактик распространенным явлением. Но в результате развития техники наблюдений и более глубокого понимания динамики движения галактик, отношение к этой проблеме изменилось.
Когда было накоплено достаточно наблюдений, свидетельствующих о столкновениях галактик, в дело были пущены компьютеры, которые помогли более точно представить, что происходит в процессе таких столкновений. Первые модели, созданные в начале 70-х годов, показали, что протяженные волокнообразные структуры образуются, когда тонкий вращающийся диск из звезд, присущий в основном спиральным галактикам, подвергается влиянию сильных приливов со стороны своего соседа.
Приливные силы "выдергивают" звезды с ближней стороны этого диска, создавая мост (который, вопреки своему названию, на самом деле редко связывает диск с другой галактикой), и выталкивают звезды с противоположной стороны диска, создавая длинный хвост.
В зависимости от типа галактик и геометрии их взаимного сближения столкновения могут приводить также к появлению спиральных рукавов, множества фрагментов, вращающихся перпендикулярно галактической плоскости, к возникновению звездных или газовых колец и всевозможных типов светящихся волокон и отростков.
Один из наиболее важных результатов, полученных в последнее время, заключается в том, что взаимодействующие галактики имеют очень сильную тенденцию к слиянию. Например, если мы моделируем столкновение двух галактик, сближающихся со скоростью свободного падения друг на друга с большого расстояния, то здравый смысл подсказывает, что после их столкновения эти скорости должны были бы развести галактики на столь же большие расстояния. Однако в действительности все происходит совсем иначе. Галактики начинают двигаться одна вокруг другой по очень близким орбитам, и вскоре после столкновения окончательно сливаются. Весь этот процесс занимает всего несколько сотен миллионов лет.
Компьютерное моделирование также подтвердило, что наблюдаемые вокруг многих галактик оболочки могут быть последствием слияний.
Высокочувствительные оптические наблюдения также показали, что даже некоторые внешне спокойные и правильные эллиптические галактики имеют признаки произошедшего когда-то слияния. В конце 70-х и начале 80-х годов, астрономы из Англо-Австралийской обсерватории обнаружили гигантские слабые оболочки светящегося вещества, окружающие, на первый взгляд, нормальные эллиптические галактики.
Этим открытием заинтересовались многие. Ранее было известно, что эллиптические галактики имеют гладкое распределение яркости. Кроме того, быстрые хаотические движения звезд в эллиптических галактиках должны были бы "размыть" любое зарождающееся уплотнение или упорядоченную деталь за время, приблизительно равное одной сотой возраста галактики.
Для объяснения существования этих оболочек астрономы предложили сразу несколько механизмов, включая возбуждение ударных волн галактическим ветром, мощные галактические взрывы и аккрецию звезд в процессе слияния галактик. Только последняя гипотеза успешно выдержала проверку временем. Ударные волны и взрывы предполагают формирование оболочек из газа и горячих молодых звезд. Однако цвет и спектральные характеристики обнаруженных оболочек показывают, что они состоят преимущественно из звезд с возрастом в несколько миллиардов лет, очень напоминающих звезды в дисках спиральных галактик. В то время как звездное население эллиптических галактик - это довольно старые звезды.
В ходе других исследований эллиптических галактик обнаружились дополнительные признаки слияния, происходящего в современную эпоху. Например, у некоторых эллиптических галактик центральные области вращаются в одну сторону, а внешние - в другую. Такую картину вращения трудно объяснить, если считать, что такие галактики полностью сформировались из одного фрагмента, но она логично объясняется как результат слияния.
В 1993 году с помощью инфракрасного астрономического спутника IRAS было получено неожиданное доказательство широкой распространенности эффектов галактических столкновений. При обзоре неба в инфракрасном диапазоне было обнаружено множество галактик, которые сияют в инфракрасных лучах значительно ярче, чем в видимых.
По-видимому, в этих галактиках происходят мощные "вспышки" звездообразования, в процессе которого огромное количество энергии выделяется именно в инфракрасном диапазоне. Столкновения между галактиками или их слияния могут провоциробать неожиданно бурное рождение звезд.
Звезды формируются в массивных газопылевых облаках. Эти облака поглощают большую часть видимого света, испускаемого яркими молодыми звездами, и переизлучают эту энергию в виде более длинноволнового излучения. Ожидалось, что наблюдения с помощью инфракрасных телескопов позволят обнаружить скрытые места звездообразования. Однако астрономы были просто потрясены, когда с помощью спутника IRAS был открыт целый класс галактик, которые более 99% энергии излучают в инфракрасном диапазоне. На оптических фотографиях обнаружилось, что многие из таких инфракрасных галактик являются взаимодействующими системами и окружены хвостами и мостами, протянувшимися от ближайших соседей. Другие же выглядели как уже полностью слившиеся галактические конгломераты.
Испускаемое такими галактиками огромное количество инфракрасного излучения указывает на то, что звезды формируются в них с невероятной скоростью. В некоторых галактиках со "вспышкой" звездообразования, в год может формироваться несколько сотен звезд, тогда как в Млечном Пути в среднем рождается всего лишь две-три звезды ежегодно. Область, в которой интенсивно формируются звезды, обычно находится в центральной части галактики, размером не более десятой части ее диаметра. И именно в центральных областях многих инфракрасных галактик с помощью радиотелескопов (в миллиметровом диапазоне электромагнитного спектра) были зарегистрированы огромные газовые облака. Они достаточно массивны, чтобы поставлять вещество для наблюдаемого там активного звездообразования в течение нескольких миллионов лет.
Астрономы, изучающие такие галактики, были, правда, несколько удивлены: откуда появились эти центральные газовые облака? Но компьютерные модели разрешили эту загадку, показав, что необходимый для этого процесса механизм образования объектов может появиться в результате взаимодействия галактик. Когда приливные силы деформируют галактический диск, звезды и газ уже не могут двигаться синхронно. В "искореженной" галактике потоки звезд свободно проникают друг в друга. Но потоки газа сильно взаимодействуют между собой и порождают сложную спиральную структуру из мощных ударных волн. Очевидно, что некоторые звезды формируются непосредственно из газа, сжатого из этих волн. Но большая часть опускается по образовавшимся спиралям к центру слившейся пары галактик, где газ может стать источником значительно более сильной вспышки звездообразования.
Наблюдения наиболее ярких инфракрасных галактик наводят на мысль о том, что мощное излучение выделяется не только из областей звездообразования, но и из компактного центрального источника, энергия в котором, возможно, образуется при падении вещества на массивную черную дыру. Черные дыры с массами, в несколько миллионов раз превосходящими солнечную, вероятно, являются источниками активности квазаров - наиболее удаленных и ярких объектов во Вселенной.
Изолированная черная дыра не проявляет наблюдаемых признаков своего присутствия. Но вещество, приблизившееся к черной дыре, начинает падать на нее по спирали и, прежде чем навсегда исчезнуть, успевает сильно нагреться и испустить большое количество излучения. Газовые облака, оказавшиеся в центре при слиянии спиральных галактик, могут быть тем самым веществом, которое "активизирует" черную дыру.
Некоторые близкие квазары в действительности выглядят как взаимодействующие или слившиеся системы. В свою очередь, столкновения галактик часто связаны с различными типами галактической активности, включая сейфертовские галактики (они выглядят как спиральные галактики, в ядре у которых находится миниквазар) и радиогалактики (эллиптические системы, окруженные гигантскими областями радиоизлучения). Многие астрономы считают, что все эти объекты являются галактиками, в центре которых вещество падает на массивную черную дыру. Причина столь большого различия между квазарами, сейфертовскими галактиками и радиогалактиками может скрываться в сильно различающейся массе черной дыры и в скорости, с которой вещество падает на нее.
Попадания газовых облаков в центральную область галактики, где они рождают наблюдаемые "вспышки" звездообразования, недостаточно для захвата этого газа в окрестностях черной дыры. Чтобы быть полностью "проглоченным" черной дырой с массой в 1 млн. солнечных масс, этот газ должен еще дополнительно сжаться в 10 млрд. раз. Но его радиальное движение препятствует этому сжатию.
Очевидно, что потребуются более детальные компьютерные модели, чтобы выяснить механизмы торможения, которые бы позволили падать газу в самую сердцевину галактики - туда, где находится черная дыра. Тем не менее рассматриваемая теория столкновения галактик может привести к созданию единой модели, объясняющей наблюдаемые свойства широкого круга активных галактик и квазаров - этих необычных объектов, озадачивших целое поколение астрономов.
Пример взаимодействия двух галактик
