Na saite Astrometriya Astronomicheskie instrumenty Astronomicheskoe obrazovanie Astrofizika Istoriya astronomii Kosmonavtika, issledovanie kosmosa Lyubitel'skaya astronomiya Planety i Solnechnaya sistema Solnce

Vzaimodeistvuyushie galaktiki
26.03.2001 19:37 | V. P. Reshetnikov/SPbGU, Sankt-Peterburg

Vzaimodeistvuyushie galaktiki

V.P.Reshetnikov

...Eti pyatnyshki, imeyushie chasto vid zavitushek i nazyvaemye potomu spiral'nymi tumannostyami, ne chto inoe, kak otdalennye mlechnye puti, podobnye nashemu. K.E.Ciolkovskii

Galaktiki - eto osnovnye strukturnye "kirpichiki" Vselennoi, kotorye soderzhat pochti vse ee veshestvo, izluchayushee v vidimoi oblasti spektra. Imenno v galaktikah rozhdayutsya, zhivut i umirayut zvezdy; vokrug nih v svoyu ochered' formiruyutsya planetnye sistemy. V odnoi iz takih planetnyh sistem, raspolozhennoi okolo tipichnoi zvezdy na periferii obychnoi galaktiki, nahoditsya i nasha Zemlya.

Vneshnii vid i svoistva galaktik ochen' raznoobrazny. Ih massy var'iruyutsya ot ~10⁷M_o do ~10¹³M_o (massa Solnca M_o =2h10³³ g), razmery - ot neskol'kih soten parsek do soten kiloparsek (1 pk = 3h10¹⁶ m). Galaktiki po vneshnemu vidu prinyato delit' na tri gruppy: ellipticheskie E (sglazhennye besstrukturnye sistemy ellipsoidal'noi formy), spiral'nye S (s razvitymi spiral'nymi vetvyami) i irregulyarnye Irr (haoticheskoi, nepravil'noi formy). Harakternye primery galaktik treh tipov privedeny na ris.1.

Ris.1. Primery galaktik raznyh morfologicheskih tipov: ellipticheskaya, spiral'naya i nepravil'naya (sleva napravo).

Galaktiki - ochen' slozhnye sistemy. Pomimo zvezd, oni soderzhat znachitel'noe kolichestvo gaza (kak atomarnogo, tak i molekulyarnogo) i pyli; ih prostranstvo pronizano kosmicheskimi luchami i magnitnymi polyami. Issledovaniya poslednih desyatiletii pokazali, chto galaktiki gorazdo massivnee, chem predpolagalos' ranee. Detal'noe izuchenie vrasheniya i ustoichivosti ih razlichnyh podsistem privelo k vyvodu, chto tam soderzhitsya veshestvo v eshe nenablyudaemoi forme. Tak vozniklo predstavlenie o massivnyh nevidimyh (temnyh) galo, okruzhayushih galaktiki. Temnye galo po svoim razmeram gorazdo bolee protyazhenny, chem pogruzhennye v nih galaktiki, i mogut soderzhat' osnovnuyu chast' ih massy. Priroda etoi skrytoi massy eshe ne ustanovlena.

Galaktiki kak otdel'nye, izolirovannye ot drugih, zvezdnye sistemy byli otkryty v dvadcatyh godah nashego veka E.Habblom. S teh por schitalos', chto eto svoego roda "ostrovnye vselennye", formiruyushiesya i evolyucioniruyushie prakticheski v polnoi izolyacii, bez vsyakogo kontakta drug s drugom. Nablyudaemoe zhe mnogoobrazie form i svoistv galaktik otnosili za schet raznyh nachal'nyh uslovii na stadii ih formirovaniya.

Chasto ispol'zuemoe v populyarnoi literature sravnenie s ostrovami dovol'no udachno. Okeanskie ostrova - gigantskie podvodnye gory, u kotoryh nad poverhnost'yu vody vozvyshaetsya lish' verhnyaya otnositel'no nebol'shaya chast'. Tak i u galaktik neposredstvennym nablyudeniyam dostupna lish' chast' veshestva, vozmozhno, men'shaya.

Galaktiki vzaimodeistvuyut!

Vidimoe raspredelenie galaktik ochen' neodnorodno. Oni, kak i lyudi, ne lyubyat odinochestva i predpochitayut ob'edinyat'sya v pary, gruppy i skopleniya s sebe podobnymi. Eshe v konce XVIII v. V.Gershel' obnaruzhil, chto mnogie tumannosti, kotorye on sovershenno pravil'no schital podobnymi Mlechnomu Puti zvezdnymi ostrovami, vhodyat v sostav dvoinyh i kratnyh sistem. Nekotorye tumannosti okazalis' dazhe svyazannymi slabosvetyashimisya peremychkami. V pervoi polovine nashego veka E.Habbl i V.Baade derzhali pari na 20 dollarov, kto pervyi dokazhet, chto naidennaya im galaktika - odinochnaya. Pari nikto ne vyigral, tak kak vsegda po sosedstvu okazyvalas' drugaya, kotoraya mogla byt' fizicheski svyazannym sputnikom.

Vzaimodeistvuyushie galaktiki nachali sistematicheski nablyudat' v 50-e gody E.Hol'mberg, B.A.Voroncov-Vel'yaminov, F.Cvikki i H.Arp. Odnako vplot' do 70-h godov, kogda razvitie teorii i komp'yuternoi tehniki pozvolilo sozdat' realisticheskie modeli gravitacionnogo vzaimodeistviya galaktik, eti ob'ekty ne privlekali shirokogo vnimaniya.

Interesno otmetit', chto pervaya uspeshnaya popytka modelirovaniya tesnogo sblizheniya galaktik byla osushestvlena eshe v 1941 g. Shvedskii astronom E.Hol'mberg, vospol'zovavshis' tem, chto osveshennost' ot istochnika umen'shaetsya, kak i gravitacionnaya sila, obratno proporcional'no kvadratu rasstoyaniya do nablyudatelya, rassmotrel otnositel'noe dvizhenie dvuh galaktik, kazhdaya iz kotoryh byla predstavlena naborom podvizhnyh lampochek. Izmeryaya v raznyh tochkah model'noi galaktiki osveshennost' s pomosh'yu fotoelementa, Hol'mberg peremeshal lampochki v sootvetstvii s neodnorodnostyami takogo "gravitacionnogo" polya. S pomosh'yu stol' nestandartnogo podhoda on predvoshitil nekotorye rezul'taty, poluchennye gorazdo pozdnee s pomosh'yu komp'yuternogo modelirovaniya.

V 1972 g. poyavilas' rabota brat'ev Tumre, v kotoroi bylo naglyadno pokazano, chto morfologicheskie osobennosti galaktik estestvennym obrazom mogut byt' ob'yasneny gravitacionnym vzaimodeistviem mezhdu nimi. Eta rabota posluzhila osnovoi dlya novogo podhoda k probleme formirovaniya struktury sovremennyh galaktik. Soglasno etomu podhodu, ne nachal'nye usloviya, a posleduyushaya evolyuciya galaktiki, v hode kotoroi ona aktivno vzaimodeistvuet so svoim okruzheniem (drugimi galaktikami, karlikovymi sputnikami, mezhgalakticheskoi sredoi), opredelyaet ee harakteristiki. Odin iz brat'ev - A.Tumre - dazhe vyskazal predpolozhenie, chto vse ellipticheskie galaktiki voznikli pri sliyanii spiral'nyh (eto predpolozhenie poluchilo nazvanie "gipoteza sliyanii"). Seichas schitaetsya, chto i nachal'nye usloviya, i posleduyushaya evolyuciya vliyayut na svoistva galaktik, odnako sootnoshenie mezhdu etimi faktorami ostaetsya poka neizvestnym.

V blizkoi k nam oblasti Vselennoi vzaimodeistvuyushie galaktiki dovol'no redki. Esli osnovyvat'sya na vidimyh priznakah vzaimodeistviya, govoryashih o sil'nom vneshnem gravitacionnom vozmushenii (zametnoi asimmetrii struktury, nalichii protyazhennyh lineinyh obrazovanii - "hvostov" i peremychek, - obolochek i t.p.), to k takim ob'ektam mozhno otnesti lish' kazhduyu desyatuyu ili dvadcatuyu galaktiku (ris. 2, 3). V bolee rannie epohi, odnako, processy vzaimodeistviya mezhdu nimi mogli byt' gorazdo bolee intensivnymi.

	Ris.2. Primery vzaimodeistvuyushih i slivayushihsya galaktik.
Ris.3. Konturnye karty dvuh dvoinyh vzaimodeistvuyushih sistem, kotorye postroeny po ih izobrazheniyam, poluchennym na 1.2-metrovom teleskope Observatorii Verhnego Provansa. Diski vidimyh pochti s rebra spiral'nyh galaktik demonstriruyut krupnomasshtabnye izgiby svoih ploskostei.

Pochemu eto interesno

Astronomiya - nauka, osnovannaya na nablyudeniyah. Astronomy lisheny vozmozhnosti stavit' eksperimenty, kak, k primeru, fiziki, stalkivayushie v uskoritelyah potoki zaryazhennyh chastic, ili biologi, vmeshivayushiesya v strukturu genov. Odnako issledovanie vzaimodeistvuyushih galaktik daet udivitel'nuyu vozmozhnost' detal'no izuchit' rezul'taty eksperimentov po stolknoveniyu gigantskih zvezdnyh sistem, kotorye stavit sama priroda. Zdes' my imeem delo s odnimi iz samyh grandioznyh processov vo Vselennoi, i imenno oni, kak schitaetsya, mogut privodit' k rozhdeniyu ob'ektov i yavlenii sovershenno novogo tipa (kvazarov, radiogalaktik, sverhmoshnyh istochnikov infrakrasnogo izlucheniya, gamma-vspleskov i t.d.). Krome togo, pri gravitacionnom vozmushenii razlichnye podsistemy galaktik (temnoe galo, gazovyi i zvezdnyi diski i t.d.) nachinayut igrat' aktivnuyu rol' (naprimer, pogloshat' energiyu) i, sledovatel'no, dayut o sebe novuyu informaciyu.

Izmenenie predstavlenii ob evolyucii galaktik, proizoshedshee v poslednie gody, delaet zadachu issledovaniya vzaimodeistvuyushih galaktik odnoi iz naibolee interesnyh v sovremennoi astronomii. Naprimer, v sostavlennom neskol'ko let nazad A.Sendidzhem spiske 23 naibolee aktual'nyh na posleduyushie 30 let problem astronomii pod pervym nomerom stoit vopros o tom, opredelyaetsya li struktura normal'nyh (t.e. imeyushih vpolne simmetrichnyi, neiskazhennyi vid) galaktik ih evolyuciei ili zhe - nachal'nymi usloviyami pri ih formirovanii. Vopros o roli sliyanii mezhdu galaktikami A.Sendidzh vydelil v otdel'nuyu (sed'muyu) problemu v svoem spiske.

Nashi raboty stavyat cel'yu vyyasnit', kak vneshnee gravitacionnoe vozmushenie i perenos massy vliyayut na global'nuyu strukturu galaktik. Etot vopros izuchen otnositel'no slabo, chto, vozmozhno, svyazano s bol'shim raznoobraziem form vzaimodeistvuyushih galaktik i, sledovatel'no, s trudnostyami v poiske zakonomernostei. Drugoi vazhnyi vopros: deistvitel'no li vzaimodeistviya byli gorazdo bolee chastymi v proshlom, kak eto predskazyvaetsya sovremennymi teoriyami formirovaniya galaktik?

Chto mozhno uvidet' vooruzhennym glazom

Pri pervom vzglyade na snimki vzaimodeistvuyushih galaktik (ris. 2, 3) porazhaet mnogoobrazie i prichudlivost' form. Eti ob'ekty malo napominayut normal'nye, otnositel'no izolirovannye galaktiki, pokazannye na ris.1. Chtoby sravnit' ih strukturu so stroeniem normal'nyh, simmetrichnyh galaktik, nuzhno usrednit' nablyudaemoe raspredelenie ih poverhnostnoi yarkosti. Vypolniv takoe usrednenie (dlya etogo sushestvuyut raznye sposoby), mozhno postroit' sglazhennoe raspredelenie yarkosti dazhe dlya ob'ektov s vyrazhennymi osobennostyami.

Nablyudaemoe raspredelenie poverhnostnoi yarkosti u normal'nyh galaktik mozhno opisat' v pervom priblizhenii dvumya empiricheskimi zakonami. Ellipticheskie galaktiki horosho predstavlyayutsya tak nazyvaemym zakonom Vokulera lgI(r) ~ -r^1/4, gde r - rasstoyanie ot centra galaktiki, a diski spiral'nyh galaktik - prostym eksponencial'nym zakonom lgI(r) ~ -r. Spiral'nye galaktiki, kak pravilo, - dvuhkomponentnye sistemy: v ih strukture vydelyayut central'nuyu kondensaciyu (baldzh), opisyvaemuyu zakonom Vokulera, i eksponencial'nyi disk. Baldzhi i diski galaktik imeyut mnogo sushestvennyh razlichii i, kak schitaetsya, mogut imet' raznoe proishozhdenie.

Dlya analiza struktury vzaimodeistvuyushih galaktik my poluchili izobrazheniya 24 tesnyh vzaimodeistvuyushih sistem, sostoyashih iz neskol'kih yavno razdelennyh, t.e. eshe ne slivshihsya, galaktik (Evstigneeva E.A., Reshetnikov V.P. // Pis'ma v Astron. zhurn. 1999. T.25. N9. S.673-683) (primery takih sistem pokazany na ris.3). Nablyudeniya byli provedeny na 1.2-metrovom teleskope Observatorii Verhnego Provansa (Franciya). Obshie fotometricheskie harakteristiki baldzhei vzaimodeistvuyushih spiralei okazalis' blizki k takovym u baldzhei normal'nyh galaktik.

Diski vzaimodeistvuyushih spiral'nyh galaktik otlichayutsya povyshennoi (primerno v 2-3 raza) poverhnostnoi yarkost'yu po sravneniyu s izolirovannymi. Etu osobennost' mozhno ob'yasnit' usilennym tempom zvezdoobrazovaniya v diskah vzaimodeistvuyushih galaktik. Nablyudeniya drugogo roda (naprimer, analiz infrakrasnogo izlucheniya) uzhe privodili ranee k podobnym zaklyucheniyam. Prichiny uskoreniya zvezdoobrazovaniya pri gravitacionnom vozmushenii galaktik do konca neyasny (usilenie etogo processa v diskah chasto ob'yasnyaetsya, naprimer, rostom chastoty stolknovenii oblakov molekulyarnogo gaza).

Pri vzaimodeistvii galaktik chast' energii orbital'nogo dvizheniya perehodit v ih vnutrennyuyu energiyu. Kak yasno iz obshih soobrazhenii, eto dolzhno privodit', v chastnosti, k uvelicheniyu dispersii skorostei zvezd i k "razbuhaniyu" zvezdnyh diskov. My rassmotreli opticheskuyu strukturu vidimyh "s rebra" vzaimodeistvuyushih galaktik i nashli, chto ih diski, deistvitel'no, imeyut primerno v dva raza bol'shie otnositel'nye tolshiny (t.e. otnosheniya vertikal'nyh i radial'nyh masshtabov raspredeleniya poverhnostnoi yarkosti), chem diski obychnyh spiral'nyh galaktik (Reshetnikov V., Combes F. // Astron. and Astrophys. 1997. V.324. N1. P.80-90). Cherez dva goda etot rezul'tat byl podtverzhden gruppoi nemeckih issledovatelei (Schwarzkopf U., Dettmar R.-J. // Astrophysics and Space Science. 1999. V.265. Issue 1/4. P.479-480). Effektivnost' prilivnogo razogreva zvezdnyh diskov zavisit ot mnogih faktorov, i v chastnosti ot sootnosheniya vidimoi i skrytoi mass v galaktikah. Poetomu sravnenie nablyudaemogo effekta s rezul'tatami chislennyh raschetov (oni poka, k sozhaleniyu, otsutstvuyut) moglo by dat' novyi podhod k izucheniyu skrytoi massy.

Zvezdnye diski izgibayutsya

Gazovye diski bol'shinstva spiral'nyh galaktik (vklyuchaya Mlechnyi Put') izognuty tak, chto, esli smotret' na nih "s rebra", oni napominayut znak integrala. Izgib obychno nachinaetsya vo vneshnih oblastyah galaktik (tam, gde zvezdnaya plotnost' ochen' mala), i poetomu do nedavnego vremeni dannyh o takih izgibah bylo ves'ma malo. V teh zhe sluchayah, kogda est' informaciya ob iskrivleniyah gazovogo i opticheskogo diskov, izgiby, proslezhennye po dvum podsistemam, pochti sovpadayut, chto pozvolyaet dumat' ob ih obshem proishozhdenii.

S teoreticheskoi tochki zreniya iskrivlenie diskov u galaktik vse eshe ostaetsya, po vyrazheniyu Dzh.Binni, "zahvatyvayushei golovolomkoi". Ob'yasnit' ih vozniknovenie i sohranenie pytalis' prilivnym vzaimodeistviem galaktik, akkreciei veshestva iz mezhgalakticheskogo prostranstva na periferiinye oblasti diskov, deistviem mezhgalakticheskogo magnitnogo polya i dr. Odnako do sih por ni odin iz predlozhennyh mehanizmov tak i ne stal obsheprinyatym. Osnovnaya prichina takogo polozheniya - ochevidnyi nedostatok dannyh nablyudenii, poskol'ku v radio- i opticheskom diapazonah bylo izucheno lish' neskol'ko desyatkov vidimyh "s rebra" galaktik.

Predpolozhiv, chto prostranstvennoe okruzhenie dolzhno vliyat' na formirovanie izgibov galaktik, my reshili issledovat' vopros: kak chasto vstrechayutsya izognutye diski v oblastyah s raznoi prostranstvennoi plotnost'yu galaktik? Ved' v bol'shinstve sluchaev, kogda spiral'naya galaktika vhodit v sostav vzaimodeistvuyushei sistemy, ee opticheskii disk izognut (ris.3). Ispol'zuya "Cifrovoi obzor neba" - sozdannoe v Institute kosmicheskogo teleskopa (Space Telescope Science Institute, Baltimor, SShA) elektronnoe izobrazhenie pochti vsei nebesnoi sfery, - my issledovali 540 vidimyh "s rebra" spiral'nyh galaktik i ih blizhaishee okruzhenie