Утворення галактик

Формування галактик почалося, очевидно, майже одночасно і в повному обсязі відомої частини Всесвіту через мільярд років після його утворення, але в протогалактичних хмарах з різними фізич­ними характеристиками (масою, розмірами, швидкістю обертання й т. ін.) це відбувалося по-різному. Утворення галактичних скуп­чень, галактик і космічних об’єктів (зір, планетних тіл і т. ін.), що входять до їхнього складу, тісно пов’язане з еволюцією газових хмар — космічних туманностей — і залежить від їхніх основних фізичних характеристик: маси, розмірів, розподілу густини, наявності й швидкості їх обертання навколо своєї осі, магнітного поля, температури й складу речовини.

Якщо розподіл густини усередині хмари в разі її стиску під дією сил тяжіння залишається однорідним, то гравітаційна енергія частинок збільшується пропорційно зменшенню розмірів хмари, а теплова енергія не змінюється: процес стиску ізотермічний, поки густина речовини не досягне значення, за якого теплове ви­промінювання активно взаємодіє з атомами речовини й не залишає хмару, а нагріває її зсередини, збільшуючи тиск газу. Сили тиску газу врівноважують сили тяжіння й зупиняють стиск хмари біля «теплової межі».

Якщо хмара споконвічно оберталася, то швидкість обертання зростатиме пропорційно зменшенню розмірів хмари в разі її гравітаційного стиску. Відцентрова сила, що дедалі збільшується, зупиняє стиск хмари біля «обертальної» межі. У цей час спостерігається трохи подібних темних, але так і не сформованих протогалактичних хмар у разі одночасного зоїльшення густини і глиоини хмари під час її стиску поблизу центра хмари починаються інтенсивні процеси утворення зір, що зменшують концентрацію газу. Процес зореутворення врівноважує гравітаційний стиск біля «конденсаційної межі».

Але якщо сума теплової, обертальної, магнітної й т. ін. енергій на початку стиску були менше від гравітаційної енергії хмари, стиск безупиннии: газова хмара стискується до розмірів і перетворюється на чорну діру.

Остаточна доля хмари — перетворення в галактику певного класу — залежить від співвідношення всіх трьох «меж» і низки ін­ших величин (так, початкове магнітне поле посилюється пропорційно зменшенню розмірів хмари й впливає на рух іонізованого газу).

Якщо хмара мала початкове обертання, але була однорідною за густиною, утвориться неправильна галактика. У неправильні галактики перетворюються спіральні галактики, що не сформувалися, поблизу центра яких стався вибух або які втратили форму, взаємодіючи з іншою галактикою.

Якщо хмара не мала початкового обертання, а густина її збільшувалася до центра, утворюється еліптична галактика. Сферичні скупчення галактик з переважанням еліптичних і лінзових систем утворилися з відносно невеликих згустків газу, що не мали обертального моменту. Найдавніші блакитні карликові еліптичні галактики утворилися через 1-3 млрд років після утворення Метагалактики.

Гравітаційний стиск протогалактичної хмари може бути зупинено силами внутрішнього тиску газу біля «теплової межі», відцентровою силою біля «обертальної межі», процесами зореутворення біля «конденсаційної межі» і т. ін. або комбінованою дією цих сил:

• якщо хмара мала початкове обертання, але була однорідною за густиною, утворюється неправильна галактика. У неправильні галактики перетворюються спіральні галактики, що не сформувалися, у яких стався вибух поблизу центра або які втратили форму під час взаємодії з іншою галактикою;

• якщо початкова густина у центрі хмари була значно вище, ніж на периферії, утворюється лінзоподібна галактика;

• якщо хмара не мала початкового обертання, а густина її збільшувалася до центра, утворюється еліптична галактика. Так сферичні скупчення галактик з переважанням еліптичних і лінзових систем утворилися з відносно невеликих згустків газу, що не мали початкового обертання;

• якщо хмара мала початкове обертання й густина її збільшува­лася в напрямі до центра, утворюється спіральна галактика: хмара з великим моментом імпульсу розвивається в клас Sc, із середнім — у клас Sb і з малим — у клас Sa. Скупчення спіральних галактик виникали під час дроблення великих хмар на фрагменти зі значною кількістю варіантів розподілу момен­ту імпульсу серед окремих згустків.

Під час формування спіральних галактик центральна частина хмари стискується швидше й сильніше за периферійні зони. Коли густина речовини поблизу центра хмари досягне певного «граничного» показника, утворюється квазар або активне ядро галакти­ки; його потужне випромінювання й потоки елементарних части­нок створюють у хмарі ударну хвилю, що стискає газ і стимулює утворення зір І покоління й кульових скупчень у повному об’ємі протогалактики. Під час подальшого стиску протогалактики газ концентрується в площині обертання й утворює диск. При цьому відбувається послідовне формування окремих частин (підсистем) галактики, що різняться за віком об’єктів, які до них входять, кількістю важких елементів у їхньому складі, характером руху й розташування зір у просторі. Подальшому стиску газу перешко­джає тиск магнітного поля й космічних променів.

Швидкість обертання речовини диска навколо ядра галакти­ки диференційована й убуває у напрямі від центра до периферії. У речовині галактичного диска поширюються первинні потужні спіральні хвилі стиску. Протягом першого оберту галактики вони поширюються від центра до периферії, сильно стискаючи й нагріваючи речовину. Формуються спіральні вітки — рукави галактики. За 2-3 галактичних оберти спалах зореутворення охоплює спіральні рукави, що формуються, різко зменшуючи в них концентрацію газу й знижуючи амплітуду первинних хвиль стиску. Незалежно від початкової форми спіральна структура галактики розвивається впродовж кількох її наступних обертів навколо своєї осі, що триває сотні мільйонів років. Вітки (рукави) обертаються навколо центра галактик у той самий бік, що газ і зорі, але значно повільніше. Сталість форми рукавів підтримують вторинні відносно слабкі спіральні ударні хвилі густини, що виникають під час зіткнення накопиченого у вітках газу з газом, який, обертаючись навколо центра галактики, доганяє спіральні рукави, входить у них з великою швидкістю, гальмується й ущільнюється. В області спіральних рукавів виникають вихрові структури, схожі із циклонами, а між галактичними вітками формуються антициклони.

Чим масивніше спіральна галактика, тим сильніше стискає тяжіння спіральні рукави, тим вони тонше й тим більше в них зір і менше міжзоряного газу. Швидкість обертання диска галактики дозволяє оцінити її масу в межах певного радіуса, а форма кривої швидкості обертання галактики відбиває розподіл (густину) речовини в ній. Аналіз розподілу мас у дискові спіральних і лінзових галактик заснований на вивченні їхніх кривих обертання, які визначаються за доплерівськими швидкостями газу.

Середній час перетворення протогалактики на галактику становить близько 10⁹ років. Відповідно до розрахунків, хмара масою 10¹¹ ., радіусом 200 кпк, початковою швидкістю обертання 40 км/с, напруженістю магнітного поля 2-10^-7 Гс й температурою близько 2-10⁵ К перетворюється на спіральну галактику розмірами 30кпк, що містить у своєму складі до 300 мільярдів зір.

Імовірно, на початку еволюції всі галактики мають вищу світність за рахунок більшого числа масивних молодих зір. Утворення зір у надрах стискальних протогалактичних хмар й, пізніше, у галактичних дифузійних туманностях є одним із закономірних етапів розвитку неживої матерії й нерозривно пов’язаний з виникненням і розвитком галактичного населення й структур галактик.

Утворення галактик супроводжувалося потужним спалахом зореутворення (у десятки разів вищий за сучасний!), що тривав близько 1 млрд років і досяг максимуму через 3-5 млрд років після утворення нашої частини Всесвіту, а потім поступово знижувався. Зорі І покоління, у яких вміст важких елементів в 10 000 разів менше від сучасного, формуються майже одночасно по всьому об’єму протогалактичної хмари, у надрах густих (до 10⁴ – 10⁵ частинок в с³), хаотично розташованих згустків молекулярного водню (Н₂) з незначною домішкою гідроксилу (ОН, НО) і чадного газу (СО). Поза спіральними рукавами «спусковим механізмом» зореутворення можуть стати ударні хвилі внаслідок вибухів близьких зір, зіткнення хмар між собою, зоряний вітер близьких блакитних надгігантів і т. ін.

Запуск механізму зореутворення можуть забезпечити активні процеси в ядрах галактик, що формуються. Потужне випромінювання й потоки (викиди) елементарних частинок створювали ударні хвилі — оболонки, що сферично розширюються, при цьому навколишній газ ущільнюється, що й ініціює в ньому процес утворення зір. Через сотні мільйонів років, відповідно до зменшення активності галактичних ядер і зниження густини міжзоряного газу, більша частина якого пішла на формування зір І покоління, гігантські вогнища зореутворення розмірами понад 10 000 пк і масами 10⁷-10⁸ . розпадаються на дрібні «осередки» розмірами до 100 пк, у яких зореутворення поступово загасає.

Свідками тієї найдавнішої епохи в Галактиці є об’єкти її сферичної складової: кульові зоряні скупчення віком від 9 до 12 млрд років (± 2-3 млрд років), у яких вміст важких елементів становить 0, 1-0, 5%.

«Епідемічний» характер зореутворення дотепер характерний для дуже багатих на міжзоряний газ великих областей неправильних і карликових галактик; «спусковим механізмом» у них може стати навіть виникнення окремих зір.

Рис. 7. Маси й розміри чорних дір у центрах деяких галактик

В інших галактиках такі ситуації виникають набагато рідше. В еліптичних галактиках незначної (до 10М₀) маси процес зореутворення відбувається 1 раз: весь газ, що не ввійшов до складу зір І покоління, було викинуто їхнім світловим тиском й «зоряним вітром» за межі галактик і розсіяно в навколишньому просторі. У масивних еліптичних галактиках гравітація притягує цей газ назад усередину галактик, де він падає до їхнього центра й де до цього часу повільно тривають процеси утворення зір (0, 1 . у рік).

Утворення галактик може відбуватися не тільки в результа­ті гравітаційного стиску окремих гігантських протогалактичних хмар, але й у ході об'єднання (злиття) декількох невеликих протогалактик або молодих галактик, які стають «будівельними блока­ми» для формування більших об’єктів.

Середній вік галактик становить від 11, 5 до 13, 5 млрд ро­ків, хоча відомі як більш молоді (10 млрд років), так і більш ста­рі об’єкти (до 18 млрд років). Імовірно, значна, якщо не більша, частина галактик сформувалася в перші 2-3 мільярди років з моменту утворення Метагалактики. У цей час астрономи спостерігають кілька об’єктів віком від 12 до 13 млрд років, що перебувають на різних стадіях стиску: від густих, непрозорих газових хмар до протогалактик, у яких відбувається утворення зір І покоління, причому до їхнього складу входять деякі молекулярні сполуки: Н₂, ОН, НО, СО і т. ін.