Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Природа галактик была надежно установлена в 1920-е гг., когда были измерены расстояния до них.

Галактики – далекие объекты. Наша Галактика вместе с туманностью Андромеды, галактикой в Треугольнике (М33), Магеллановыми Облаками и еще несколькими десятками карликовых спутников образуют так называемую Местную группу, диаметр которой составляет около 10 млн световых лет. Типичные расстояния до хорошо известных галактик за пределами Местной группы превосходят эту величину, поэтому для детального изучения их структуры необходимы достаточно крупные телескопы. Первые хорошие зарисовки «туманностей», как их тогда называли, появились в середине XIX в. благодаря работам Вильяма Парсонса (William Parsons), лорда Росса. В частности, известен рисунок галактики Водоворот (М51) с хорошо видимой спиральной структурой. С ростом наблюдательных возможностей становятся доступными более детальные исследования структурных особенностей в галактиках разных типов.

Довольно давно часть астрономов подозревала, что многие «туманности», особенно имеющие спиральную структуру и наблюдающиеся вне плоскости Млечного Пути, являются далекими звездными системами (т. е. галактиками), подобными нашей. Однако тогда однозначно определить природу этих «туманностей» (а тем более правильно отделить действительно газово-пылевые туманности в нашей Галактике от далеких звездных систем) было еще невозможно, и окончательная ясность в этом вопросе появилась только в 1920-е гг. В это время Эдвин Хаббл и другие ученые смогли идентифицировать достаточное количество переменных звезд – цефеид – в близких галактиках и определить расстояния до них. В настоящее время существует несколько методов определения расстояний до галактик (так называемая лестница расстояний), позволяющих, начав с цефеид в относительно близких галактиках, переходя от метода к методу, достаточно точно измерять расстояния и до далеких объектов, находящихся от нас в миллиардах световых лет.

Галактики могут сильно различаться по размерам и массе. Основной (по массе) составляющей галактики является темное вещество: все галактики погружены в большие, как правило, довольно округлой формы гало темного вещества. Размеры таких гало у крупных галактик могут составлять сотни тысяч световых лет, а массы в экстремальных случаях превосходят 10¹⁴ масс Солнца. Масса звезд в галактиках обычно в несколько раз меньше массы темного вещества (однако внутри видимых границ галактик эти величины сопоставимы), а масса газа и пыли – еще меньше. Галактика типа нашей имеет массу 10¹² масс Солнца, из них лишь около 3 % приходится на звезды, а газа в ней примерно раз в 10 меньше. Самые легкие галактики имеют массу менее миллиона масс Солнца.

Основную массу галактики составляет темное вещество.

Видимые размеры самых крупных галактик составляют сотни тысяч световых лет. Размеры самых компактных галактик (так называемых ультракомпактных карликов) составляют несколько тысяч световых лет. По всей видимости, эти галактики когда-то были больше и массивнее, но сильное взаимодействие с более крупными соседями привело к обдиранию их внешних частей, и в результате мы видим то, что когда-то было компактной центральной частью галактики.

Эллиптические галактики в подавляющем большинстве не содержат холодного газа и пыли, которые могли бы превращаться в звезды. Поэтому они населены старыми маломассивными звездами и имеют желтовато-красноватый цвет, свойственный этим объектам. Такие галактики могут быть как легкими, так и тяжелыми. Самые массивные галактики – это гигантские эллиптические системы, находящиеся в центрах крупных скоплений галактик. Как правило, они формировались в результате многократных слияний и поглощений, а также аккреции большого количества газа, а в центрах таких галактик находятся очень массивные черные дыры. Звезды в эллиптических галактиках вращаются по вытянутым орбитам, ориентированным под разными углами друг к другу, а как целое эллиптические галактики вращаются медленно.

Эллиптические галактики населены в основном старыми маломассивными звездами.

Многие галактики в процессе своего формирования приобретают диск. Появление такой структуры означает, что когда-то в галактику так или иначе попало большое количество газа со значительным моментом импульса (иногда используют термин «угловой момент»), который затем частично превращается в звезды. В результате возникает сильно уплощенная вращающаяся структура из звезд, газа и пыли.