Взрывается ли «взрывающаяся» галактика?

Взрывные процессы встречаются во Вселенной повсеместно. Они поражают наше воображение своей масштабностью — огромной энергией, выделяющейся за довольно короткие промежутки времени, и размерами области, которую они захватывают.

Взрывные явления происходят практически на всех небесных телах. Взрывы на поверхности Солнца — хромосферные вспышки — хорошо изучены, а их влияние мы ощущаем, когда в земную атмосферу проникает поток солнечных заряженных частиц. Мощные взрывы — такие, как вспышки сверхновых звезд, в непосредственной близости к нам не наблюдаются. Но в других галактиках астрономы часто открывают сверхновые звезды. За несколько дней блеск ранее, казалось бы, ничем не примечательной звезды может сравняться с блеском всей галактики, в которой вспыхнула сверхновая.

Еще более мощные нестационарные процессы протекают в ядрах галактик, на активность которых впервые обратил внимание академик В. А. Амбарцумян. Изучение ядер галактик Сейферта и квазаров показало, что и для них характерны взрывные явления. У этих объектов большое количество энергии освобождается во всем диапазоне электромагнитного спектра. Интерес астрофизиков к нестационарным явлениям в мире галактик особенно усилился, когда была открыта «взрывающаяся» галактика М 82.

Портрет галактики

М 82 входит в, одну из ближайших к нам групп галактик. Расстояние до нее 3,2 Мпс, или 1020 км. М 82 — не самая массивная в группе, ее превосходит по массе гигантская спиральная галактика М 81. Эту группу можно наблюдать практически круглый год из северного полушария Земли, так как она видна на небе в созвездии Большой Медведицы.

Галактика М 82, наблюдаемая почти с «ребра», похожа на тонкий диск. Его северный край ближе к нам. Измерения фотографических изображений М 82 дали для большой оси величину около десяти угловых секунд, что на расстоянии 3,2 Мпс соответствует 3*10¹⁷ км. Таким образом, М 82 меньше нашей Галактики примерно в 3 раза. Масса М 82 составляет 10¹⁰ солнечных, что на порядок меньше массы Галактики.

Диск М 82 — тонкий, она не похожа на эллиптические галактики, не обнаружены у нее и спиральные ветви, поэтому М 82 относят к неправильному типу галактик. На фотографиях галактики не удалось выделить отдельные звезды, несмотря на ее близость к нам. Население галактики М 82 в среднем состоит из звезд спектрального класса А5 (температура поверхности около 10 000 К). Эти звезды белого цвета, но вследствие поглощения света звезд в пылевых облаках галактика М 82 имеет желтый цвет.

Еще несколько галактик обладают теми же признаками, что и М 82 (неправильная, клочковатая структура, большое количество пыли, отсутствие спиралей). Они выделены в особую морфологическую группу под названием неправильных галактик типа М 82.

Наблюдатели «видят» взрыв

Старые фотографии М 82, сделанные еще в 1910 году на 1,5-метровом телескопе обсерватории Маунт Вилсон, демонстрируют на светлом фоне диска галактики темные пылевые облака в виде «каналов» и волокон. После вступления в строй 5-метрового телескопа на обсерватории Маунт Пал Омар в 1949 году удалось четче выделить волокнистую структуру М 82.

В 1962 году серию фотографий М 82 получил на 5-метровом телескопе А. Сэндейдж. Он фотографировал галактику через фильтр, пропускающий линию На (длина волны £563 А), которая излучается ионизованным водородом. Одновременно К. Линде получил спектры М 82 на 3-метровом телескопе Ликской обсерватории, причем щель спектрографа он ориентировал вдоль малой оси галактики. Линии излучения ионизованных газов в спектре М 82 показали заметный наклон, то есть регулярное изменение доплеровского сдвига линии. Это может быть вызвано изменением лучевой скорости газов вдоль малой оси галактики.

Линде и Сэндейдж объяснили наблюдаемый эффект расширением волокон газа от центра галактики к ее краю. Скорость расширения газа растет с расстоянием от центра галактики. В ста угловых секундах от центра М 82 скорость расширения газа достигает 1000 км/с. Наблюдаемая в М 82 картина движений газа типична для взрывного процесса.

Взрывоподобные явления в ядрах галактик и во вспышках сверхновых происходят в пространстве, много меньшем размеров галактик. В М 82 астрономы впервые увидели взрыв, охвативший галактику целиком. Естественно, что работа Линдса и Сэндейджа привлекла к галактике М 82 внимание многих наблюдателей.

В 1964 году М. и Г. Бэрбиджи вместе с В. Рубин еще раз исследовали скорости газа в М 82, но уже на более обширном материале наблюдений. На фотографиях М 82 видна конфигурация волокон, расходящихся от центра вдоль малой оси под углом около 40°.

Бэрбиджи и Рубин предположили, что газ расширяется в противоположных по отношению друг к другу конусах с полным раствором 40° вдоль малой оси галактики. При достаточно большой плотности газа наблюдатель увидит только ближнюю к нам кромку «газового конуса» вплоть до его центра, где плотность максимальна. Вследствие наклона галактического диска к лучу зрения, в северной области М 82, вблизи центра, будут наблюдаться отрицательные лучевые скорости (газ приближается к нам), а на краю – положительные (газ удаляется от нас). В южной области М 82 должны быть только отрицательные лучевые скорости. Наблюдения хорошо согласуются с этими предположениями. По расчетам, взрыв в М 82 произошел 2-3 млн. лет назад.

Наиболее подробно изучил распределение лучевых скоростей газа в М 82  Г. Хекаторн в 1972 году. Ему удалось, используя усовершенствованную технику наблюдений, «привязать» щель спектрографа к размытым очертаниям галактики с точностью до одной угловой секунды (раньше «привязку» делали с точностью лишь до четырех-шести угловых секунд). Это позволило Хекаторну провести тщательный анализ лучевых скоростей газа. Он обнаружил, что газ не только расширяется от центра галактики, но и вращается вместе с ней. Оказалось, что максимальное изменение лучевых скоростей с расстоянием от центра происходит на линии юг – север или под углом 45° к малой оси галактики.

Л Линде и Сэндейдж по фотографии М 82 в линии На оценили поток энергии для всего объема ионизованного водорода в галактике. Поток энергии в линии На получился равным 2*10⁴⁰ эрг/с, а масса ионизованного водорода – около 6*10⁶ солнечных. Эмиссионный линейчатый спектр ионизованного газа в М 82 похож на спектр газовых туманностей в нашей Галактике. Какой механизм поддерживает на протяжении миллионов лет ионизацию газа в галактике?

М 82 — слабый источник радиоизлучения. Ее радиоспектр такой же, как у нетепловых радиоисточников. Линде и Сэндейдж экстраполировали наблюдаемый радиоспектр в видимую и ультрафиолетовую области и предположили, что непрерывный спектр галактики образуется в результате излучения релятивистских электронов в магнитном поле (синхротронный механизм). Ультрафиолетовые кванты этого излучения с длиной волны короче 912 А должны поддерживать постоянную ионизацию газа в М 82 в течение всего взрыва, иначе ионизованный газ высветится и превратится в нейтральный уже через 1-10 тыс. лет. Поток энергии по всему непрерывному спектру, который излучается релятивистскими электронами за «время взрыва» порядка миллиона лет, равен 10⁵⁵ – 10⁵⁶ эрг. Электроны теряют свою энергию спустя 10—100 тыс. лет. Для сохранения наблюдаемого уровня синхротронного излучения следует непрерывно пополнять энергию электронов, то есть электроны должны периодически впрыскиваться в систему волокон М 82 путем последовательных взрывов — около сотни взрывов за миллион лет.

В. Миллер и А. Сэндейдж обнаружили сильную поляризацию излучения во внешних частях волокнистой структуры галактики. Этот факт они рассматривали как дополнительный аргумент в пользу синхротронной природы излучения в М 82.

Пылевые облака в галактике

В 1963—1966 годах в Лоуеллской обсерватории А. Эльвиус выполнила наблюдения цветовых показателей и поляризации излучения М 82 на 1,7- метровом телескопе с фотоэлектрическим поляриметром. Она нашла, что поляризация света в волокнах галактики достигает 25—30%. Поляризация, по ее мнению, происходит при рассеянии света, испускаемого центральными, достаточно горячими источниками (может быть, звездами ранних спектральных классов), на пылевых облаках. Эльвиус высказала предположение, что между М 82 и ее ближайшей соседкой — гигантской галактикой М 81 находятся пылевые облака. Они движутся к М 82. Освещение пылевых облаков центральным источником создает видимую сложную картину распределения лучевых скоростей в М 82.

По-другому объяснил поляризацию излучения М 82 А. Солинжер. Он предположил, что в центре галактики должно быть ядро, похожее на ядра галактик Сейферта. Ядро М 82 освещает окрестности галактики, в которых имеется много свободных электронов, образовавшихся после взрыва. Свет, рассеянный на электронах, должен быть поляризован. В видимом диапазоне спектра ядро М 82 не наблюдается: оно закрыто пылевыми облаками, поскольку галактический диск ориентирован к наблюдателю ребром. Действительно, в ближних инфракрасных лучах (около 1 мкм), где поглощение пылью мало, нашли яркое пятно в центре М 82.

В 1971 году Р. Сандерс и Д. Бэламор критически рассмотрели гипотезу А. Солинжера. Оказалось, что ядро М 82 не подходит под определение сейфертоподобного, так как ширина линии На в центре М 82 и ее волокнах не превышает 10 А, в галактиках же Сейферта она достигает 100 А. Новые наблюдения волокон в линии На обнаружили поляризацию около 25%. Согласно Солинжеру, излучение в линии На, возникающее в водороде волокнистой области М 82, будет неполяризованным. Оно может стать поляризованным, если в галактике много свободных электронов. Сколько нужно электронов, чтобы увидеть рассеянный на них поляризованный свет?

Пусть светимость ядра М 82 такая же, как у ядер сейфертовских галактик. Тогда плотность электронов в галактике — около 2*10³ см³, а электронная температура — порядка 10⁸ К. При столь высокой температуре образуются «горячие» электроны с большими скоростями. Ширина поляризованной линии На, появляющейся, если излучение центральной области М 82 рассеивается на свободных электронах в волокнах, должна быть около 500 А! Но спектральные наблюдения галактики не дают такой большой величины. Для «спасения» гипотезы Солинжера необходимо увеличить светимость ядра М 82 в 1000 раз, чтобы понизить электронную плотность в волокнах до 10 см³. Наблюдаемая светимость центра М 82, если учесть поглощение света пылью, меньше на два-три порядка.

Сандерс и Бэламор рассмотрели возможность поляризации линии На в волокнах при рассеянии излучения на пылевых частицах. Позднее И. Мэтью так удачно подобрал параметры пылинок, состоящих из графита и кремния, что сумел объяснить наблюдаемую очень слабую зависимость величины поляризации от длины волны в волокнах М 82.

Как же будут двигаться газ и пыль в галактике, если линия На возникает в центре М 82, а на краю наблюдается рассеянное в Пылевых облаках излучение этой линии? Представим, что пылинки движутся в волокнах от центра галактики со скоростью 1000 км/с. Согласно эффекту Доплера, рассеянное ими излучение центра галактики будет смещаться в красную область спектра, то есть лучевая скорость в волокнах должна быть также 1000 км/с. Однако наблюдения волокон М 82 показывают величину лучевой скорости около 100-200 км/с. Значит, скорость пылинок (при движении их от центра) близка к параболической. Сандерс и Бэламор для объяснения наблюдаемых лучевых скоростей в волокнах М 82 (на южной стороне галактики – к нам, на северной – от нас) предположили, что пылевые частицы выброшены из центра под углом около 45° к плоскости галактики со скоростью меньше 300 км/с.

В гипотезе Сандерса и Бэламора на порядок уменьшена скорость выброса частиц по сравнению с гипотезой «взрыва» Линдса и Сэндейджа и увеличена продолжительность выброса до 10 млн. лет. Кинетическая энергия газа (газ и пыль движутся вместе) равна 4*10⁵³ эрг. Поток энергии излучения в видимом диапазоне спектра от центральной области галактики составит за 10 млн. лет. Таким образом, гипотеза Сандерса и Бэламора очень заманчива, поскольку объясняет явления в М 82, не привлекая экзотические механизмы освобождения энергии в ядре галактик.

 «Сверхскопление» горячих звезд

Наблюдения спектров М 82 с телевизионной аппаратурой, установленной на 5-метровом телескопе, позволили детализировать звездное население диска галактики. В ее центре находятся горячие В-звезды, а ближе к краю диска – более холодные звезды спектральных классов А-Р.

С. ван ден Берг получил любопытные данные, фотографируя М 82 в инфракрасном диапазоне. Он обнаружил 12 пятен неправильной структуры в центральной части галактики. Контраст пятен увеличивается с длиной волны. Следовательно, пятна – это инфракрасные объекты, а не просветы между поглощающими облаками. По спектру центрального пятна, размер которого установили, что оно состоит из В-звезд. Средняя светимость пятна около 2*10⁸ солнечных, то есть каждое пятно – скопление звезд. Ван ден Берг назвал весь комплекс скоплений В-звезд в центре М 82 «сверхскоплением».

Существование горячих звезд в М 82 легко объясняет ионизацию газа в центральной области галактики.

По интенсивностям эмиссионных линий определили, что газ ионизован ультрафиолетовыми квантами. В принципе возможны и другие причины ионизации газа, но в М 82 работает именно механизм фотоионизации. Поставляют эти кванты горячие звезды «сверхскопления». Их излучение, кроме того, оказывает сильное световое давление на пылинки и «выбрасывает» их из центральной области галактики.

В далеком инфракрасном диапазоне (5-545 мкм) поток энергии от М 82 разен примерно 2-10й эрг/с. Пока трудно объяснить большую величину потока тепловым излучением пыли, нагретой горячими звездами М 82, так как светимость «сверхскопления» в видимом диапазоне на порядок меньше инфракрасной светимости галактики. Возможно, что «сверхскопление» окружено мощными пылевыми облаками, которые уменьшают его светимость на один-два порядка.

Картина комплексного исследования галактики М 82 будет неполной, если мы не упомянем о радиоастрономических наблюдениях. Все радиоизлучение М 82 сосредоточено в протяженной области размером 50X15, вытянутой вдоль большой оси галактики. Назовем эту область радиодиском М 82, в его пределах находится компактный радиоисточник размером не больше 0,6. Из источника выбрасываются очень быстрые (релятивистские) электроны, которые проникают в радиодиск. П. Харгрейв предположил, что радиодиск – это центр повышенной активности сверхновых звезд. Однако, чтобы обеспечить наблюдаемый уровень радиоизлучения, необходим довольно быстрый темп вспышек сверхновых – одна в 30 лет.

Можно оценить и величину рентгеновского излучения М 82, зная количество релятивистских электронов и инфракрасных квантов в радиодиске. Рентгеновское излучение возникает при столкновении электронов с инфракрасными квантами (обратный Комптон-эффект). Спутник «Ухуру» зарегистрировал поток рентгеновского излучения от М 82, равный 9*10⁴⁰ эрг/с, -величина, хорошо согласующаяся с расчетной оценкой.

Старые и новые вопросы

Мы познакомились с результатами наблюдений М 82 (И их интерпретацией). Но самый интересный вопрос, взрывается ли галактика М 82, пока остался без ответа. В галактике действительно наблюдается расширение газа и пыли, но происходит оно с меньшими скоростями, чем предполагает «гипотеза взрыва».

Изучение М 82 породило новые вопросы: есть ли в пространстве между М 82 и ее соседкой М 81 межгалактические облака газа и пыли, возможно ли движение этих облаков между галактиками? Радиоастрономические наблюдения М 82 и М 81 в линии 21 см (ее излучает нейтральный водород) показали, что галактики погружены в общий комплекс облаков нейтрального водорода. Таким образом, имеются необходимые условия для взаимодействия М 82 с межгалактическими газом и пылью.

Возникают и другие проблемы: не наблюдаем ли мы в «сверхскоплении» М 82 процессы образования звезд из газово-пылевой среды и не является ли выброс газово-пылевых облаков из центра М 82 следствием рождения горячих звезд? Не исключена возможность, что «сверхскопление» М 82 сформировалось из газово-пылевых облаков, которые достигли центра М 82, двигаясь из окрестностей М 81.

Итак, перед наблюдателями М 82 стоят новые вопросы, ответы на которые дадут дальнейшие исследования галактики.

Автор: Б. П. Артамонов.