«Галактики»

Книга «Галактики» — собрание самых современных представлений о галактиках. У книги 11 авторов, включая Владимира Сурдина, который выступил редактором-составителем.

****
Когда Эдвин Хаббл выстраивал схему морфологических типов галактик, слева он разместил самые простые (однокомпонентные) звездные системы - эллиптические галактики, а далее - чем правее на схеме, тем сложнее выглядит структура галактики. Типы галактик в левой части схемы Хаббл назвал ранними, а в правой - поздникими. Быть может, в эту последовательность морфологических типов галактик, напоминающую камертон, Хаббл вкладывал эволюционный смысл? С одной стороны, в его сттаье 1926 года о морфологической классификации галактик есть примечание, что типы галактик - это чистая феноменология, дескать, не ищите в них скрытых смыслов. С другой стороны, в этой же статье он признается, что построенная исключительно по наблюдательным признакам последовательность типов галактик "почти идентична пути развития, извлеченному Джинсом из чисто теоретических исследований".
Как известно, английский астрофизик Джеймс Джинс в начале XX века сформулировал основные физические принципы, по которым из газа формируются звезды. Заселение галактики новорожденными звездами, сгруппированными в крупномасштабные сктруктуры - это как раз и есть эволюция галактики, спектрофотометрическая и морфологическая. На наш взгляд, есть все основания полагать, что Хаббал считал вероятным развитие спиральной галактики из эллиптической путем наращивания крупномасштабного диска вокруг изначального однородного звездного сфероида. То есть направление эволюции галактик на сахеме морфологических типов рисовалось ему подобным направлению европейской письменности - слева направа, вдоль ручки, а затем вдоль ножек "камертона".
Семидесятые годы прошлого века были ранним золотым веком внегалактической астрономии. Появились первые, еще немногочисленные, но уже решающие для мировоззрения исследователей наблюдательные данные о структуре, кинематике и звздном населении галактик (Sandage, 1975).  В ногу с наблюдениями шла и теоретическая мысль: молодые гениальные аспиранты ваяли модели "на века", такие, например, как предложенная Ричардом Ларсом модель формирования путем "монолитного коллапса" протогалактического газового облака или модель эволюционного синтеза интегрального спектра галактик, разработанная Биатрис Тинсли. В те годы стало ясно, что формирование спиральных галактик из эллиптических в массовом порядке невозможно: эллиптические галактики в среднем массивнее поздних спиральных.
Более того, Ричард Ларсон, уточняя свои модели монолитного коллапса, в конце концов пришел к выводу, что из протогалактического газового облака звездный диск сформироваться может, а вот сфероидальная эллиптическая галактика - нет. Наблюдения показали, что эллиптические галактики вращаются очень медленно и что вся кинетическая энергия звезд сосредоточена в их хаотическом движении. Чтобы получить такую звездную систему, у протогалактического облака надо отобрать момент импульса, то есть замедлить его вращение, а приемлимых физических механизмов для этого в рамках модели монолитного коллапса найти не удавалось.
К 1978 году Ричард Ларсон решился на принципиальный шаг и резко изменил подход к формированию эллиптических галактик: он принял идею Тоомре об определяющей роли взаимодействий и слияний галактик в их эволюции и предположил, что эллиптическая галактика формируется путем слияния двух дисковых, спиральных. На жаргоне профессионалов этот процесс называют "мержингом", от английского merge — поглощать, сливаться.
Сценарий галактического мержинга, как полагала Ларсон, одним махом решает две проблемы. Бурное динамического событие слияния двух дисков отбирает у обоих момент импульса и "разогревает" получившуюся в итоге звездную систему, сообщая ее звездам хаотические движения (увеличивая дисперсию пространственных скоростей). Отношение осей получившегося звездного сфероида определяется отношением средних дисперсий сокростей звезд вдоль направлений этих осей. О таких системах говорят, что их форма поддерживается не вращением, а анизотропным хаотическим движением звезд.
Второй проблемой была связь между химическим составом и массой галактики <...> чем массивнее эллиптическая галакткика, тем выше содержание тяжелых элементов в ее звездах. Новый сценарий Ларсона объяснял такую зависимость, если предполагать, что каждое событие слияния спиральных галактик, содержащих нес только звезды, но и газ, сопровождается бурной вспышкой звездообразования - быстрым превращением газа сливающихся галактик в звезды. Эти звезды, точнее, самые массивные из них, должны быстро произвести в своих недрах новые тяжелые элементы, выкинуть их в межзвездную среду и тем самым обеспечить следующим поколениям звезд более высокую металличность. Итак, каждое слияние - это одновременно увеличение массы всей системы, и повышение металличности звезд эллиптической галактики; требуемая корреляция естественным образом устанавливается.
Так в конце 1970-х годов перевернулся эволюционный смысл хаббловской последовательности морфологических типов: теперь эволюцию "рисовали" справа налево: сначала образовывались чисто дисковые галактики, а затем уже диски сливались и формировали сфероиды - галактики эллиптические. Эта идея очень понравилась космологам, исследующим общую картину эволюции Вселенной с другой, теоретической стороны. Главная идея современной космиологической картины мира - это гравитационное скучивание темной материи, которая в смысле гравитации доминирует во Вселенной, а барионы (обычный газ) лишь послушно следуют за ней. 
Темная материя сначала идет волнами, потом разбивается на комки, а затем эти комки коллапсируют (сжимаются до состояния динамического равновесия) и начинают сближаться и сливаться друг с другом под действием все той же гравитации. Слияния играют ключевую роль в формировании крупномасштабной структуры Вселенной и в формировании галактик в рамках концепции иерархического скучивания, которое происходит неизбежно, если Вселенная заполнена темной материей и если эта темная материя ничего другого не может делать, кроме как гравитировать.
Итак, согласно современным представлениям космологов, в ранней Вселенной сначала сформируются маленькие темные гало, а в них - карликовые галактики. При формировании темных гало газ, составляющий по массе не более 20 процентов от массы темной материи, вириализуется, то есть равномерно распределяется по сфероидальному объему темного гало и нагревается до вириальной температуры, обеспечивающей давление, достаточное для приостановки его сжатия. Затем газ постепенно высвечивается, остывает и осаждается в диск, поскольку энергия уходит с излучением, а момент импульса никуда не девается. В газовом диске начинается звездообразование - в центре небольшого темного гало формируется небольшая дисковая галактика. Под воздействием взаимной гравитации небольшие темные гало продолжают сближаться, группироваться и сливаться. При слиянии двух темных гало их две дисковые галактики тоже сливаются (правда, с некоторой задержкой по времени) и образуют одну эллиптическую. В принципе, если в объеме темных гало еще оставался "беспризорный" горячий газ (а по расчетам он должен оставаться, поскольку осаждение и звездообразование - довольно неэффективные процессы), то этот газ будет продолжать высвечиваться и остывать, осаждаясь в диск уже вокруг центральной эллиптической галактики. Так, по мысли теоретиков, формировались спиральные галактики ранних типов - дисковые, с большими балджами.
Далее это темное гало, возможно, опять с чем-нибудь сольется; едва успевшая сформироваться спиральная галактика раннего типа вновь примет участие в "большом мержинге" и породит еще более крупную эллиптическую галактику. В принципе дальше циклы могут повторяться. Такова классическая схема формирования хаббловских морфологических типов галактик, сформулированная космологами в начале 1990-х годов. Расчеты на суперкомпьютерах позволили даже визуализировать этот процесс (Governato F. et al., 2012). Качественно вроде бы получалось хорошо. Однако современная космология претендует на то, что теперь это точная, количественная наука: основные космологические параметры определяются с формальной точностью в несколько процентов. В таком случае ключевой вопрос в этом стройном сценарии формирования морфологических типов галактик - его временная шкала.
Общепринятой космологической моделью сейчас является модель с холодной темной материей и лямбда-членом в уравнении Эйнштейна <...> В этой модели в рамках концепции иерархического скучивания все времена зажаты достаточно жестко: например, массивные эллиптические галактики должны формироваться последними, и при этом сравнительно недавно. Все расчеты, все численные модели указывают, что эпоха последних больших слияний, рождающих крупные эллиптические галактики, удалена от нас на красное смещение z = 0,5–0,7, то есть на 5–6 млрд лет в прошлое. Если это слияние сопровождалось вспышкой звездообразования, то мы должны видеть в близких гигантских эллиптических галактиках относительно молодые звезды. На самом деле их там нет. Из близких галактик имен но гигантские эллиптические галактики — самые старые звездные системы (наряду с шаровыми скоплениями): для них наблюдается корреляция «масса — возраст звездного населения». Если у эллиптических карликов измеренный средний возраст звезд еще бывает около 5 млрд лет, то у гигантских эллиптических галактик все звезды старше 10 млрд лет, и уж точно никаких вспышек звездообразования они не испытывали после z = 1.
Что могут сказать теоретики на это разногласие между теоретическими прогнозами и наблюдениями? В принципе, теоретики — народ изобретательный. Они заявили: пусть гигантские эллиптические галактики образуются слияниями, но не спиральных галактик, а других эллиптических галактик, поменьше, в которых нет газа. Тогда будет «сухой мержинг», без газа, вспышки звездообразования не произойдет, и все звезды в продукте слияния останутся старыми. Действительн о, проблем у большого возраста звезд в эллиптических галактиках такой сценарий решает. Правда, тутже появляется проблема с корреляцией «металличность—масса»: если новая галактика получит полный набор своих звезд от галактик-предшественников, имевших меньшую массу, то вместе со средним возрастом звезд продукт слияния унаследует и среднюю металличность звездного населения. В таком сценарии корреляции массы галактики с металличностью вообще не должно быть.
Апофеозом внесения эволюционного смысла в хаббловскую схему морфологических типов галактик стало соединение двух ножек хаббловского «камертона» наклонными перемычками: галактики, имеющие бары, могут их терять и позже приобретать снова; по мнен ию теоретиков-динамиков, бары являются транзиентными (временными) структурами. К этому выводу теоретики пришли на основе численного моделирования, которое показало, что бары зарождаются в центрах галактических дисков под действием разных механизмов динамической эволюции. Можно взять изолированный диск, со стоящий на 90% из звезд и на 10% из газ а, т. е. достаточно холодный в динамическом смысле, и оставить его «в покое», т. е. в состоянии спокойного вращения. Через немногие сотни миллионов лет в центре такого диска сам собой появится заметный бар — результат развития гравитационной неустойчивости в динамически холодном диске. Можно взять даже вполне устойчивый звездный диск, окруженный стабилизирующим его темным гало, и запустить близкий пролет спутника, небольшого, например с массой в 10% от массы основной галактики. И в этом случае не только вовнешних частях диска вытянутся хвосты и спирали, но и в его центре сформируется бар, вращающийся с угловой скоростью про хождения спутника по орбите.

В общем, бары неизбежно формируются в течение жизни дисковых галактик; но оказалось, что они так же могут исчезать, «рассасываться». Если в центр галактики «уронить» значительную массу, например в 5% от общей массы галактик и (скажем, резко нарастить в модели массу балджа), то эта сильно концентрированная масса «циркуляризует» орбиты звезд в своей достаточно протяженной окрестности — и бар исчезнет. Позже, например после очередного близкого прохождения другой галактики, бар может появиться снова. В результате спиральная галактика будет «путешествовать» между ножками хаббловского «камертона», поcтепенно наращивая балдж, то есть сдвигаясь к ранним типам.