SETI: Поиск Внеземного Разума: читать начало книги онлайн

Спиральные галактики представляют собой сильно уплощенные звездные системы. Подобно нашей Галактике, они состоят из диска и гало, в центральной части их расположено сфероидальное вздутие (балдж), внутри которого находится галактическое ядро. В спиральных ветвях диска сосредоточены самые яркие молодые звезды, диффузные туманности, молодые звездные скопления и ассоциации. Поэтому спиральный узор в галактиках так отчетливо выделяется, хотя на долю спиральных ветвей приходится всего несколько процентов массы каждой галактики. Основная масса звезд равномерно распределена в галактическом диске. Их химический состав близок к солнечному. Звезды вращаются вокруг центра галактики по почти круговым орбитам в плоскости, совпадающей с плоскостью диска. Звезды гало имеют сфероидальное пространственное распределение, сильно концентрируясь к центру галактики. Они вращаются по сильно вытянутым эллиптическим орбитам, наклоненным под всевозможными углами к галактической плоскости. Звезды гало относительно бедны тяжелыми элементами, это наиболее старые звезды спиральных галактик — их возраст порядка 10 млрд лет. Диапазон масс и светимостей у спиральных галактик более узкий, чем у эллиптических: массы заключены в пределах от 109 до 1012 M⊙ , а светимость от 108 до 1011 M⊙ .

Рис. 2.1.34. Неправильная галактика М 82

В неправильных галактиках полностью отсутствует сферическая составляющая. Большинство звезд сосредоточено в плоском диске, но спиральных ветвей в нем нет, отсутствует также галактическое ядро. В них много молодых звезд и много газа, в некоторых галактиках газ составляет до 50 % общей массы.

Рис. 2.1.35. Взаимодействующие галактики: спиральная галактика М 51 и ее спутник— галактика NGC 5195

Описанные основные типы галактик не исчерпывают всего их многообразия. Известный советский астроном Б. А. Воронцов-Вельяминов изучил с помощью микроскопа (!) фотографические снимки неба («Паломарский атлас»). Он описал многие сотни пекулярных галактик, каждая из которых имеет совершенно уникальную форму. Среди них Б. А. Воронцов-Вельяминов выделил особый тип взаимодействующих галактик. Это, как правило, двойные галактики, в которых между компонентами наблюдаются перемычки светлой и темной материи или хвосты, уходящие далеко в межгалактическое пространство. Считается, что наша Галактика вместе с ее ближайшими спутниками Магеллановыми Облаками также образует взаимодействующую систему. От Магеллановых Облаков в сторону нашей Галактики движется поток газа, полная масса которого составляет не менее 100 млн солнечных масс. На небе этот поток образует длинную полосу, протянувшуюся из южного полушария в северное более чем на 90°. Однако ни в какие оптические телескопы его не видно, он был обнаружен по радиоизлучению нейтрального водорода на волне 21 см.

Особый тип галактик представляют галактики с активными ядрами[116] . Хотя доля объема, занимаемого ядрами галактик, ничтожна (менее 10^-15 от полного объема галактики), количество энергии, излучаемое активными ядрами (их светимость), составляет заметную долю от светимости галактики в целом. При этом светимость ядра не остается постоянной, она может заметно меняться за время от нескольких недель до нескольких месяцев. В некоторых случаях из активных ядер истекают потоки газа, движущегося со скоростями в несколько десятков тысяч километров в секунду.

К числу галактик с активными ядрами относятся радиогалактики. У обычных галактик светимость в радиодиапазоне в миллионы раз меньше, чем в оптическом. Радиогалактики излучают в радиодиапазоне столько же энергии, как и в оптической области спектра (или даже больше). Эти мощные потоки радиоволн являются следствием тех бурных процессов, которые протекают в ядре галактики. Из ядра радиогалактик выбрасываются интенсивные потоки элементарных частиц (космических лучей), движущихся с околосветовыми скоростями, чаще всего в двух противоположных направлениях. Двигаясь в магнитном поле, электроны космических лучей порождают мощное синхротронное радиоизлучение. За счет этого процесса вблизи таких галактик образуются интенсивные радиоисточники, по размерам превосходящие размеры самой галактики. Примером может служить один из ярчайших источников Лебедь А (рис. 2.1.36).

Рис. 2.1.36. Радиогалактика Лебедь А. а) Фотография оптической галактики.б) Распределение радиоизлучения, область оптической галактики выделена прямоугольником

Долгое время самыми загадочными объектами за пределами нашей Галактики оставались квазары (квазизвездные радиоисточники). Они были обнаружены в 1963 г. и поистине стали астрономической сенсацией. Для объяснения квазаров было выдвинуто много остроумных гипотез, но постепенно стала проясняться их связь с галактическими ядрами. На фотографиях квазары выглядят, как слабые голубоватые звездочки. Однако спектр их совершенно не похож ни на спектр звезд, ни на спектр галактик. В отличие от линий поглощения звездного спектра, спектр квазаров содержит яркие эмиссионные линии. Когда было измерено расстояние до квазаров, оказалось, что это самые далекие объекты в наблюдаемой области Вселенной. Обычные галактики на таких расстояниях невозможно было бы обнаружить. Следовательно, квазары не только самые далекие, но и самые мощные, обладающие самой высокой светимостью объекты Вселенной. Особенно много энергии излучают они в инфракрасной области спектра. Дальнейшие исследования показали, что вокруг квазаров наблюдается слабое свечение, обусловленное присутствием звезд. Это позволило связать квазары с ядрами далеких галактик. Следует иметь в виду, что в квазарах, так же как в активных галактических ядрах, наблюдается излучение быстро движущегося газа (скорость которого достигает тысяч км/с). Подобно активным ядрам многие квазары заметно меняют свою светимость за время порядка нескольких месяцев. Все это указывает на то, что квазары — это ядра далеких галактик, которые находятся на ранних стадиях эволюции в состоянии очень высокой активности. Такое представление позволяет выяснить место квазаров в ряду других объектов Вселенной, но это не раскрывает загадку их природы, поскольку природа самих галактических ядер, источников их энергии остается неизвестной. Великий астроном XX века Джеймс Джинс считал, что в центре галактик находятся особые точки, где «в нашу Вселенную вливается вещество из каких-то других пространственных измерений...»[117]. Как знать, может быть, эта мысль — в несколько измененном виде (как это не раз случалось в истории науки) — получит со временем подтверждение и развитие.

Рис. 2.1.37. Скопление галактик в созвездии Геркулеса

Таков многообразный мир галактик. Нам остается рассмотреть, каким образом они распределены в пространстве. Подобно звездам галактики образуют группы, скопления и сверхскопления. Скопления делятся на правильные и неправильные. Правильные скопления обладают сферической формой и содержат десятки тысяч галактик. Неправильные скопления менее населенные, в них входят or нескольких десятков до нескольких сотен галактик. Ближайшее к нашей Галактике скопление галактик находится в созвездии Девы, это неправильное скопление, содержащее около 200 галактик, расстояние до него 20 мегапарсеков (Мпк), размер скопления 5 Мпк. Ближайшее сферическое скопление находится в созвездии Волосы Вероники, на расстоянии 125 Мпк, оно содержит более 30 тыс. галактик. Самое далекое скопление их тех, до которых измерено расстояние, также находится в Волосах Вероники, расстояние до него 5200 Мпк. Всего сейчас известно более 7000 скоплений.

Часть галактик (около 10 %) не входит в скопления. Среднее расстояние между ними 1—2 Мпк, приблизительно в 100 раз больше размеров галактик. Среднее расстояние между галактиками в скоплениях — несколько сотен килопарсек, всего в 10-20 раз меньше размеров галактик. В этом отношении распределение галактик сильно отличается от распределения звезд: среднее расстояние между звездами приблизительно в 20 млн раз превышает их размеры. Таким образом, галактики «упакованы» в пространстве гораздо более плотно. Еще «плотнее» упакованы скопления галактик, расстояние между ними практически одного порядка с размером скоплений. Часть скоплений, как было уже сказано, объединяются в сверхскопления.

Рис. 2.1.38. Галактика М 31 (Туманность Андромеды). Ближайшая к нам галактика, расположенная на расстоянии около 2 миллионов световых лет, относится к типу спиральных галактик

Наша Галактика и Туманность Андромеды входит в состав так называемой Местной группы галактик. Она содержит около 40 членов и состоит из двух семейств — семейства Млечного Пути (нашей Галактики) и семейства Андромеды. В семейство нашей Галактики входят несколько карликовых сфероидальных галактик, несколько внегалактических шаровых скоплений и неправильные галактики — Большое и Малое Магеллановы Облака. В семейство Андромеды входит дюжина галактик различных типов. Кроме того, около 10 неправильных галактик образуют периферию Местной группы. Местная группа, скопление в Деве и еще ряд скоплений образуют Сверхскопление галактик, диаметр его около 30 Мпк, а число галактик порядка 20 тысяч. С нашим Сверхскоплением соседствует сверхскопление в созвездии Льва (расстояние 140 Мпк) и в созвездии Геркулеса (расстояние 190 Мпк). Всего пока выделено около 50 сверхскоплений.

Как распределены сверхскопления? Заполняют ли они равномерно все пространство наблюдаемой Вселенной или образуют структуры еще более высокого порядка — «скопления сверхскоплений», как это предполагалось в теории островной иерархической Вселенной? Оказалось — ни то, ни другое. Крупномасштабная структура Вселенной состоит из сети объемных ячеек, что-то наподобие гигантских пчелиных сот с размером ребра порядка 100 Мпк. Стенки ячеек образованы сверхскоплениями галактик, а внутри ячеек галактик почти нет. Эти области получили название пустот или войдов. На пересечении стенок расположены длинные тонкие волокна, толщиной около 10 Мпк. Эти волокна представляют собой наиболее мощные сверхскопления. А на пересечении волокон в вершинах ячеистой структуры располагаются самые крупные, богатые скопления галактик. Важно подчеркнуть, что ячеистая структура не собирается в более крупные образования, а в среднем равномерно заполняет пространство наблюдаемой Вселенной.

Подобные ячеистые структуры широко распространены на Земле, в минеральном царстве и в живой природе. Мы встречаемся с ними на Солнце в явлениях фотосферной грануляции и хромосферной сетки. И, наконец, они проявляются на самых верхних этажах структурной лестницы Вселенной. Это свидетельствует о том, что во Вселенной в явлениях самых различных масштабов — от молекул до сверхскоплений галактик действуют одни и те же законы организации материи[118].

Вся доступная наблюдениям область Вселенной, включающая в себя галактики, их скопления и сверхскопления, собранные в ячеистую структуру, образуют систему, называемую Метагалактикой[119].

2.1.6. Метагалактика.

Итак, знакомясь с окружающей нас Вселенной, мы прошли путь от планеты Земля до Метагалактики. Чтобы лучше представить себе размер этого пути и соотношение различных структурных образований во Вселенной, воспользуемся масштабом Шкловского. Уменьшим мысленно земную орбиту до размеров первой боровской орбиты атома водорода (0,5 • 10^-8 см).

В этом масштабе 1 пк соответствует 10^-3 см. Следовательно, расстояние до ближайших звезд будет составлять сотые доли миллиметра. Расстояние до центра Галактики составит 10 см, размер нашей Галактики — 30 см. Расстояние до Туманности Андромеды составить около 7 м, до скопления в Деве — 200 м. Размер среднего скопления галактик будет соответствовать нескольким десяткам метров, толщина волокон ячеистой структуры Метагалактики — 100 м, а линейный размер ячейки — порядка 1 км. Границы наблюдаемой области Вселенной в этом масштабе теряются где-то около 10 км. Таким образом, объем Метагалактики в сотни раз превышает объем ячейки крупномасштабной структуры.

Рис. 2.1.39. Крупномасштабная структура Метагалактики

По мере совершенствования астрономических наблюдений с применением все более крупных телескопов границы наблюдаемой Вселенной непрерывно раздвигаются. Может ли этот процесс продолжаться бесконечно? Наблюдая далекие галактики, мы видим их такими, какими они были миллиарды лет тому назад. Мы не можем видеть, как они выглядят в настоящее время (ибо для этого мы должны перенестись на несколько миллиардов лет в будущее), потому мы способны изучать только их прошлое. Таким образом, проникая все дальше и дальше в просторы Вселенной, мы погружаемся все глубже и глубже в пучину времени. Двигаясь к границам Метагалактики, мы как бы получаем развертку событий во времени. Это обстоятельство, как мы увидим ниже, кладет практический предел нашему проникновению в пространство, устанавливает своего рода горизонт, за пределы которого мы проникнуть не можем. Это связано с расширением Вселенной, о котором мы расскажем в следующем параграфе.

Рассмотрим распределение вещества в Метагалактике. В малых объемах (малых по сравнению с размером Метагалактики) вещество распределено крайне неравномерно. Действительно, подавляющая часть вещества сосредоточена в звездах, звезды группируются в скопления, образуют различные составляющие (плоскую, сферическую), межзвездное вещество в галактиках также распределено неравномерно. Сами галактики образуют группы, скопления и сверхскопления. Иное дело в больших масштабах; при осреднении по большим объемам (больше характерного размера ячеистой структуры) средняя плотность вещества остается постоянной[120]. Можно провести следующую аналогию. Представим себе некое сложное химическое соединение, молекулы которого равномерно распределены в пространстве. Очевидно, если мы выделим какой-либо объем, содержащий достаточное количество молекул, средняя плотность вещества в таком объеме будет постоянной, независимо от его расположения. Но если мы проникнем внутрь этой молекулы, ситуация изменится коренным образом. В одном из выделенных объемов будут находиться одни атомы (более тяжелые), а в другом — более легкие. Далее, в самих атомах масса распределена крайне неравномерно: подавляющее часть ее сосредоточена в атомном ядре, занимающем ничтожную долю объема атома. Похожая картина наблюдается и для распределения вещества в Метагалактике, где роль «молекул» играют элементы ячеистой структуры.

[116] Большую роль в привлечении внимания к феномену активности ядер и в их изучении сыграл выдающийся советский астроном В. А. Амбарцумян.

[117] Цит. по кн.: Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. — М.: Наука, 1983. С. 178.

[118] Общие законы самоорганизации материи изучаются синергетикой, сравнительно молодой и очень перспективной областью науки. В последние годы в работах И. К. Розгачсвой и др. развивается астросинергетика, изучающая процессы самоорганизации материи в космических масштабах.

[119] Этот термин был предложен К. Шарлье (1862-1934) в связи с его теорией иерархической островной Вселенной для обозначения системы более высокого порядка по сравнению с Галактикой. В современной астрономии он употребляется в ином смысле (вся наблюдаемая Вселенная).

[120] Средняя плотность наблюдаемого «светящегося» вещества в галактиках составляет 10-24 г/см3, средняя плотность в сверхскоплениях (в волокнах ячеистой структуры) — 10-27 г/см3. Если же «размазать» массу галактик по всему объему ячейки, средняя плотность составит 3 • 10-31 г/см3. Эта величина остается постоянной для любой ячейки в любом месте Метагалактики, она и определяет среднее значение плотности «светящегося» вещества во Вселенной.