Строение галактики
Наша Галактика состоит в основном из звезд, межзвездного газа и космических лучей. Все это связано между собой полями тяготения и магнитными полями. Есть в ней еще радиоволны, световые, рентгеновские и гамма-лучи — электромагнитное излучение, которое играет немалую роль в жизни каждой отдельной звезды, но несущественно для системы в целом. 90—95 процентов вещества Галактики собрано в звезды, а остальное приходится на газ, в основном водород.
Звездное население (этот термин официально принят в астрономии) делится на два типа. Молодые звезды (а их значительное большинство), образующие население 1 типа, почти все собрались в огромный тонкий диск в центральной плоскости Галактики. Диаметр этого диска около ста тысяч световых лет, то есть примерно миллиард миллиардов километров, а толщина всего две-три тысячи световых лет. Население II типа образует некую сферу. И чем ближе к центру Галактики, тем таких звезд больше. Звезды этого населения постарше.
Галактика по форме скорее напоминает дисковую пилу, чем спортивный диск для метания. Мы с вами живем на расстоянии 30 000 световых лет от центра, где-то на окраине диска, но зато вблизи центральной его плоскости.
Итак, в профиль Галактика похожа на плоский диск с шаровым утолщением в центре. Сложнее ее вид анфас.
Газовые туманности Галактики собраны в светящиеся полосы (рукава), закрученные в спирали. Солнце находится недалеко от края рукава, получившего имя Солнечного (иначе его называют рукав Лебедь-Киль). На расстоянии 9000 световых лет от Солнца, по направлению к границам Галактики, можно обнаружить детали рукава Персея. А в 4000 световых лет ближе к центру заметен рукав Стрельца.
Рассмотреть, что находится еще ближе к центру и что расположено за ним, не удается, мешают «черные мешки» космической пыли.
Правда, кое-что разъяснилось с развитием радиоастрономии. Для радиоволн космическая пыль оказалась достаточно прозрачной. Нейтральный водород интенсивно излучает дециметровые радиоволны. По этому излучению установили, что в пространстве между рукавами один атом водорода приходится на 5 кубических сантиметров, а в рукавах средняя плотность газа в пять раз выше.
Радио наблюдения убедили астрономов, что наш большой звездный дом состоит из 10—14 спиральных этажей. Мы знаем теперь, как он выглядит в плане и в разрезе. Неясно только одно… почему он давным-давно не развалился.
Спирали должны размазаться
Галактика имеет очень сложную форму и вращается вокруг своего центра масс. Спиральные галактические рукава изогнуты. И не беспорядочно, а по строгой математической формуле логарифмической спирали. Так же изогнуты ветви множества других спиральных галактик — очевидно, эта форма устойчива. Во всяком случае, она существует так же долго, как наша Солнечная система (то есть примерно 5—6 миллиардов лет). Весьма вероятно, однако, что спирали Галактики существовали раньше, чем образовалось наше Солнце. Но тут начинается непонятное.
Разумно предположить: каждая звезда, каждая молекула газа или пылинка вращается совершенно независимо от других вокруг центра тяжести Галактики. И по тем же законам, по которым искусственные спутники движутся вокруг Земли. Но тогда те массы галактического вещества, которые расположены ближе к центру Галактики, должны делать полный оборот гораздо быстрее, чем далекие. Выходит, не успело бы наше Солнце совершить один оборот (ему понадобилось бы для этого «всего» 200 миллионов лет), как одни «жители» Галактики, те, что ближе к центру, обогнали бы его, а далекие от центра звезды, пылевые скопления и т. д. отстали бы. Значит, рукава Галактики размазались бы в сплошной диск или разбились бы на концентрические кольца, вроде колец Сатурна. Почему этого не происходит, до недавних пор не мог понять ни один астроном.
Устойчивость галактических рукавов представлялась загадочной и удивительной. Еще хуже обстоит дело с центром Галактики, где плотность газа значительно больше, чем в рукавах. Газ этот, видимо, «вытекает» в рукава. Одна лишь ближайшая к центру спиральная ветвь должна уносить за год из галактического центра количество газа, равное по массе Солнцу. Как считает известный голландский астроном Оорт, всего за тридцать миллионов лет одна лишь эта ветвь должна была «выкачать» весь газ из диска радиусом до 9 тысяч световых лет. Слишком быстро!
Объяснить длительное существование ядра мог бы приток в него откуда-то новых порций газа. Но этого еще никто не обнаружил.
Астрономы попали в странное положение: после многих трудов им удалось выяснить состав и строение нашей Галактики, и тут же они увидели, что такое строение долго сохраняться как будто не должно.
Впервые обоснованную попытку объяснить постоянства формы Галактики сделал профессор Г. Рихтер из Германии.
Галактику «лепит» ударная волна
Первый шаг Рихтера: он тщательно исследовал распределение в Галактике нейтрального водорода. И подметил новый неожиданный факт: плотность газа в рукавах неравномерна. В некоторых участках радиотелескоп обнаружил максимумы излучения, за которыми следуют минимумы. Это соответствует, очевидно, сгущениям и разрежениям межзвездного газа.
Сгущения и разрежения! Но как и почему они появились? В детской книжке по физике картинка: колокол, рядом — ухо, между ними, то гуще, то реже расположены черточки. Так иллюстрируется природа звуковой волны. Колебание колокола сжимает прилегающий слой воздуха, тот, упруго расширяясь, сжимает соседний слой и т. д. Вот и бежит по воздуху волна, состоящая из сжатий и разрежений.
Сгущения и разрежения вдоль рукавов Галактики могли бы возникнуть, если бы в межзвездном газе бежала какая-то волна. О волновой природе галактических спиралей до Рихтера никто не думал. А между тем…
Как ни разрежен межзвездный газ, как ни велики расстояния между его атомами, как ни редки столкновения между ними, все же он остается газом, подчиненным обычным газовым законам. И в этом межзвездном газе звуковые волны распространяются со скоростью, около километра в секунду — всего в три раза быстрее, чем в воздухе, плотность которого в триллионы раз больше. Но Рихтер обнаружил в межзвездном газе не звуковые волны.
При звуковых колебаниях частицы смещаются, оставаясь «привязанными» к своему месту. Иное происходит при возникновении ударных или взрывных волн, движущихся со сверхзвуковой скоростью. Это тоже чередование сгущений и разрежений. Но в ударной волне сжатая масса газа движется — и с огромной скоростью.
Мгновенный снимок ударной волны напомнил бы моментальную фотографию снаряда, прорезающего воздух. И по своему действию ударная волна напоминает снаряд: в ее фронте податливый газ, присутствия которого мы обычно даже не замечаем, спрессовывается, становится как бы твердым, и далеко не всякая преграда может перед ним устоять. Ударные волны в воздухе вызывает и реактивный сверхзвуковой самолет и взрыв динамита. Ударные волны возникают и в межзвездном газе.
Гипотеза профессора Рихтера
Поясним загадку устойчивости нашего звездного дома конкретным примером. На расстоянии 10 тысяч световых лет от центра Галактики, почти на полпути от ее центра до Солнца, есть спиральный рукав, который удаляется от центра аномально быстро — со скоростью 53 километра в секунду. По другую сторону от центра найдена ветвь, убегающая еще скорее. Остальные ветви тоже удаляются от центра, но гораздо медленнее.
Обратим внимание и на другой факт: оба рукава-беглеца вместе со всей Галактикой вращаются вокруг центра, но гораздо медленнее, чем требуется для сохранения целостности Галактики. В устойчивых, нераспадающихся системах при их вращении центробежная сила инерции должна уравновешиваться силой тяготения — той, с которой тела притягиваются к центру масс. Но центробежная сила тем больше, чем выше скорость вращения. Если скорость вращения меньше необходимой, тело падает к центру, если больше — удаляется от него. Скорость же вращения дальних ветвей заметно меньше той, что необходима для равновесия между центробежной силой и притяжением. Тем не менее, ветви не только падают к галактическому центру, но, наоборот, улетают прочь. Почему же?
Центр галактики
Рихтер обнаружил причину в таинственном центре Галактики. Концентрация звезд там в тысячу раз больше, чем в окрестностях Солнца. В самом же центре Галактики есть мощный источник радиоизлучения Стрелец А — нечто вроде шара диаметром до 500 световых лет. Он погружен в быстро вращающийся газовый диск с резкой внешней границей на расстоянии 2500 световых лет от центра. Этот тонкий газовый диск вращается примерно так, как вращалось бы твердое тело, а не расплывчатое облако газа.
На первый взгляд, это странно. Как может газ превратиться в твердь? Объяснение таково: линейная скорость вращения краев диска (они резко очерчены) составляет около 260 километров в секунду, а при такой скорости масса газа движется как бы в твердых стенках. (Прыгнув в воду с высокой вышки, вы можете убедиться, какой твердой становится податливая мягкая среда, если вы движетесь в ней со слишком большой скоростью).
Теперь, вспомнив сказанное выше о возможности существования в галактическом газе ударных волн, мы легко поймем суть идеи Рихтера.
Пусть в наружной газовой «стенке» диска или в нем самом возникнет небольшая неоднородность. Нарушив равновесие вращения, она быстро развивается, и в конце концов часть вещества вырвется с огромной скоростью в окружающее пространство. Вырвавшийся сгусток наносит колоссальный удар по внешней среде. И в межзвездном газе возбуждается мощная взрывная волна. Она будет распространяться от центрального ядра к периферии Галактики.
По мнению профессора Рихтера, начальная скорость ударной волны составляет около 60 километров в секунду. При такой скорости она движется в межзвездном газе, точно внутри «твердой трубки» (как породивший ее диск вращается внутри «твердых стенок»). Но по мере удаления от центра скорость ударной волны уменьшается из-за сопротивления межзвездной среды и гравитационных воздействий, а путь ее — изгибается. В конце концов, волна рассеивается. Но все это длится миллиарды лет, ибо траектории волн, пути их распространения в газе очень устойчивы.
Становится также ясно, почему до сих пор не исчерпался центральный галактический диск. В ударной волне за сгущением следует разрежение, и часть вещества возвращается на прежнее место.
Таким образом, по Рихтеру спиральные рукава Галактики это не что иное, как ударные волны, время от времени возникающие в ее центре. Поперечник космических ударных волн огромен — измеряется миллионами квадратных световых лет. По положению сгущений и разрежений в рукавах Рихтер оценил интервалы между двумя последовательными ударными волнами в 300 — 400 миллионов лет. Последняя ударная волна возникла около 60 миллионов лет назад.
Как видите, наш звездный дом получает новый облик — вместо рыхлого, расплывчатого образования он представляется стремительно вращающимся звездно-газовым волчком, пронизанным гигантскими волнами, которые держат его и придают ему сложную, тонкую динамическую структуру.
Волны, звезды, жизнь
В наше время ученые часто не ограничиваются обоснованными выводами, но позволяют себе и полуфантастические предположения. Подтвердятся догадки или нет — это не отразится на существе основной гипотезы, зато смелые сопоставления и аналогии могут послужить толчком для интересных размышлений.
Любопытно познакомиться с соображениями профессора Рихтера о причинах… гибели динозавров.
Какие только гипотезы не предлагались для объяснения исчезновения этих чудовищ, после которых 60 миллионов лет назад хозяевами Земли стали млекопитающие животные. Эту биологическую революцию пытались объяснить и космическими катастрофами, и эпидемиями, и похолоданиями, связанными с перемещением полюсов планеты, и какими-то еще не выясненными процессами на Солнце.
Рихтер отметил, что возникновение последней ударной волны в межзвездном газе совпало по времени с гибелью динозавров. Он сопоставил также некоторые другие крутые повороты в истории жизни на Земле с интервалами между космическими ударными волнами. И пришел к выводу, что ударные волны, «задевшие» Солнечную систему, могли оказать существенное влияние на все формы жизни. Правда, о конкретном механизме такого гипотетического влияния Рихтер ничего сказать не смог.
А вот еще одна, пока тоже полуфантастическая гипотеза. Она касается более «масштабной» проблемы — проблемы рождения звезд.
Во фронте ударной волны плотность газа на некоторое время должна увеличиться в сотни и тысячи раз. В результате, замечает Рихтер, создаются условия, благоприятствующие конденсации вещества в плотные космические тела.
Сравнительно легко представить себе, как происходит рассеивание вещества в космосе: газ стремится занять, возможно, больший объем, частицы его разбегаются во все стороны. Кроме того, газовое облако, если только внутренние силы тяготения в нем недостаточно велики, будет разорвано на части силой притяжения к центру Галактики.
Однако, если ударная волна заставит сжаться облако, силы тяготения внутри него должны резко возрасти. Эти силы смогут удержать частицы вместе, и станет возможным сгущение облака, превращение его в звезду.
Разумеется, это только гипотеза, и к тому же пока полуфантастическая, но выглядит она для астрономов очень заманчиво.
В нашем звездном доме все связано между собой. И если качнется фундамент, если в ядре Галактики родится ударная волна, то население всех ее этажей, и звездное и живое, не может не ощутить этого.
Авторы: С. Владимиров, М. Карев.