Образование галактик

    Процесс формирования галактик начался, по-видимому, почти одновременно во всем объеме известной части Вселенной через миллиард лет после ее образования, но в протогалактических облаках с различными физическими характеристиками (массой, размерами, скоростью вращения и т. д.) протекал по-разному. Процесс образования галактических скоплений, галактик и входящих в их состав космических объектов (звезд, планетных тел и т. д.) тесно связан с эволюцией газовых облаков - космических туманностей и зависит от их основных физических характеристик: массы, размеров, распределения плотности, наличия и скорости их вращения вокруг своей оси, магнитного поля, температуры и состава вещества.
    Если распределение плотности внутри облака при его сжатии под действием сил тяготения остается однородным, то гравитационная энергия частиц увеличивается пропорционально уменьшению размеров облака, а тепловая энергия не изменяется: процесс сжатия изотермичен, пока плотность вещества не возрастет до значения, про котором тепловое излучение активно взаимодействует с атомами вещества и не покидает облака, а нагревает его изнутри, увеличивая давление газа. Силы давления газа уравновешивают силы тяготения и останавливают сжатие облака у "теплового предела".
    Если облако изначально вращалось, то скорость вращения будет возрастать пропорционально уменьшению размеров облака при его гравитационном сжатии. Возрастающая центробежная сила останавливает сжатие облака у "вращательного" предела. В настоящее время наблюдается несколько подобных темных, так и не сформировавшихся протогалактических облаков. При увеличении плотности с глубиной облака, при его сжатии вблизи центра облака начинаются интенсивные процессы образования звезд, уменьшающие концентрацию газа. Процесс звездообразования уравновешивает гравитационное сжатие у "конденсационного предела".
    Но если сумма тепловой, вращательной, магнитной и т. д. энергий в начале сжатия были меньше гравитационной энергии облака, сжатие неостановимо: газовое облако сжимается до размеров:  и превращается в черную дыру.
    Окончательная судьба облака - превращение в галактику определенного класса - зависит от соотношения всех трех "пределов" и ряда других величин (так, начальное магнитное поле усиливается пропорционально уменьшению размеров облака и влияет на движение ионизированного газа).

- если облако обладало начальным вращением, но было однородным по плотности, образуется неправильная галактика. В неправильные галактики превращаются не сформировавшиеся спиральные галактики, испытавшие взрыв вблизи центра или потерявшие форму при взаимодействии с другой галактикой;

- если начальная плотность в центре облака была значительно выше, чем на периферии, образовывалась линзовидная галактика;

- если облако не обладало начальным вращением, а плотность его увеличивалась к центру, образуется эллиптическая галактика. Сферические скопления галактик с преобладанием эллиптических и линзовых систем образовались из относительно небольших, не имевших вращательного момента сгустков газа. Самые древние голубые карликовые эллиптические галактики образовались спустя 1-3 млрд. лет после образования Метагалактики;

- если облако обладало начальным вращением и плотность его увеличивалось по направлению к центру, образуется спиральная галактика: облако с большим вращательным моментом развивается в класс Sc, со средним - в класс Sв и с малым в класс Sа. Скопления спиральных галактик возникали при дроблении больших облаков на фрагменты с большим числом вариантов распределения вращательного момента среди отдельных сгустков.

Процесс образования галактик может происходить не только в результате гравитационного сжатия отдельных гигантских протогалактических облаков, но и в ходе объединения (слияния) нескольких небольших протогалактик или молодых галактик, которые становятся "строительными блоками" для формирования более крупных объектов.

    При формировании спиральных галактик центральная часть облака сжимается быстрее и сильнее периферийных зон. Когда плотность вещества вблизи центра облака достигнет некоторой "предельной", образуется квазар или активное ядро галактики; его мощное излучение и потоки элементарных частиц создают в облаке ударную волну, сжимающую газ и стимулирующую образование звезд I поколения и шаровых скоплений во всем объеме протогалактики. При дальнейшем сжатии протогалактики газ концентрируется в плоскости вращения и образует диск. При этом происходит последовательное формирование отдельных частей (подсистем) галактики, различающихся возрастом входящих в них объектов, количеством тяжелых элементов в их составе, характером движения и расположения звезд в пространстве. Дальнейшему сжатию газа препятствует давление магнитного поля и космических лучей.
    Скорость вращения вещества диска вокруг ядра галактики дифференцирована и убывает по направлению из центра к периферии. В веществе галактического диска распространяются первичные мощные спиральные волны сжатия. В течение первого оборота галактики они распространяются от центра к периферии, сильно сжимая и нагревая вещество. Формируются спиральные ветви - рукава галактики. За 2-3 галактических оборота вспышка звездообразования охватывает формирующиеся спиральные рукава, резко уменьшая в них концентрацию газа и снижая амплитуду первичных волн сжатия. Вне зависимости от начальной формы спиральная структура галактики развивается за несколько ее последующих оборотов вокруг своей оси за сотни миллионов лет. Ветви (рукава) вращаются вокруг центра галактик в ту же сторону, что газ и звезды, но значительно медленнее. Постоянство формы рукавов поддерживают вторичные относительно слабые спиральные ударные волны плотности, возникающие при столкновении накопленного в ветвях газа с газом, который при вращении вокруг центра галактики догоняет спиральные рукава и входит в них с большой скоростью, тормозится и уплотняется. В области спиральных рукавов возникают вихревые структуры, схожие с циклонами, а между галактическими ветвями формируются антициклоны.
    Чем массивнее спиральная галактика, тем сильнее сжимает тяготение спиральные рукава, тем они тоньше и тем больше в них звезд и меньше межзвездного газа. Скорость вращения диска галактики позволяет оценить ее массу в пределах определенного радиуса, а форма кривой скорости вращения галактики отражает распределение (плотность) вещества в ней. Анализ распределения масс в дисковых (спиральных и линзовых) галактиках основан на изучении их кривых вращения, которые определяются по доплеровским скоростям газа.
    Среднее время превращения протогалактики в галактику составляет около 10⁹ лет. Согласно расчетам, облако с массой 10¹¹М_¤ , радиусом 200 кпк, начальной скоростью вращения 40 км/с, напряженностью магнитного поля 2× 10^-7 Гс и температурой около 2× 10⁵ К превращается в спиральную галактику размерами 30 кпк, содержащую в своем составе до 300 миллиардов звезд.
    Вероятно, в начале эволюции все галактики имеют более высокую светимость за счет большего числа массивных молодых звезд. Процесс образования звезд в недрах сжимающихся протогалактических облаков и, позднее, в галактических диффузных туманностях является одним из закономерных этапов развития неживой материи и нерасторжимо связан с возникновением и развитием галактического населения и структур галактик.
    Образование галактик сопровождалось мощной вспышкой звездообразования (в десятки раз выше современной!), продолжавшейся около 1 млрд. лет и достигшей максимума спустя 3–5 млрд. лет после образования нашей части Вселенной, а затем постепенно убывавшей. Звезды I поколения с содержанием тяжелых элементов в 10000 раз менее современного формируются почти одновременно по всему объему протогалактического облака, в недрах плотных (до 10⁴-10⁵ частиц в см³), хаотически расположенных сгустков молекулярного водорода (Н₂) с незначительной примесью гидроксила (ОН, НО) и угарного газа (СО). Вне спиральных рукавов "спусковым механизмом" звездообразования могут стать ударные волны при взрывах близких звезд, столкновения облаков между собой, звездный ветер близких голубых сверхгигантов и т.д.
    Запуск механизма звездообразования могут обеспечить активные процессы в формирующихся ядрах галактик. Мощное излучение и потоки (выбросы) элементарных частиц создавали ударные волны - сферически расширяющихся оболочки, уплотнявшие окружающий газ и инициировавшие в нем процесс образования звезд. Через сотни миллионов лет с уменьшением активности галактических ядер и снижения плотности межзвездного газа, большая часть которого ушла на формирование звезд I-го поколения, гигантские очаги звездообразования размерами свыше 10000 пк и массами 10⁷-10⁸ М_¤ распадаются на мелкие "ячейки" размерами до 100 пк, в которых звездообразование постепенно затухает. Свидетелями той древнейшей эпохи в Галактике являются объекты ее сферической составляющей: шаровые звездные скопления возрастом от 9 до 12 миллиардов лет (± 2-3 млрд. лет), в которых содержание тяжелых элементов составляет 0,1-0,5%.
   "Эпидемический" характер звездообразования до сих пор характерен для очень богатых межзвездным газом обширных областей неправильных и карликовых галактик; "спусковым механизмом" в них может стать даже возникновение отдельных звезд.

Массы и размеры черных дыр в центрах некоторых галактик.

   В других галактиках такие ситуации возникают гораздо реже. В эллиптических галактиках с небольшой (до 10⁷ М_¤) массой процесс звездообразования происходит 1 раз: весь газ, что не вошел в состав звезд I-го поколения, выбрасывается их световым давлением и "звездным ветром" за пределы галактик и рассеивается в окружающем пространстве. В массивных эллиптических галактиках гравитация притягивает этот газ обратно внутрь галактик, где он падает к их центру и где до сих медленно идут процессы образования звезд (0,1 М_¤ в год).
    Средний возраст галактик составляет от 11,5 до 13,5 миллиарда лет, хотя известны как более молодые (10 млрд. лет), так и более старые объекты (до 15 млрд. лет). Вероятно, значительная, если не большая часть галактик сформировалась в первые 1-2 миллиарда лет с момента образования Метагалактики. В настоящее время астрономы наблюдают несколько объектов возрастом от 12 до 13 млрд. лет, находящихся на разных стадиях сжатия: от плотных, непрозрачных газовых облаков до протогалактик, в которых происходит образование звезд I поколения, причем в их состав входят некоторые молекулярные соединения: Н₂, ОН, НО, СО и т. д.
    Еще более древними объектами являются квазары и квазаги: наибольшее расстояние до квазаров соответствует возрасту Метагалактики t_M ~ 1-2 млрд. лет с наибольшей концентрацией на расстояниях, соответствующих 1,5 млрд. лет с момента образования Метагалактики; вокруг них наблюдаются следы молодых галактических структур. Большинство ученых считает их плотными газовыми аккреционными дисками в ядрах "новорожденных" галактик. Невероятно мощная энергетика квазаров может объясняться существованием в их центре сверхмассивной черной дыры массой до 10¹⁰ М_¤ , поглощающей вещество (газ) из окружающего пространства в количестве 100 М_¤ в год! Падая в черную дыру, вещество превращается в излучение, которое регистрируют наши приборы. Различия в свойствах квазаров определяются условиями (углом) их наблюдения.
    Почти столь же стары и далеки от Земли почти все активные галактики, в ядрах которых происходят процессы, сопровождаемые выделением огромной энергии, мощным звездообразованием и выбросами вещества. Большинство ученых предполагает, что квазары, квазаги и активные ядра галактик являются закономерными, сравнительно кратковременными начальными стадиями развития нормальных галактик, имеющих возраст свыше 10-11 миллиардов лет. Предполагается, что совокупность сверхмассивных черных дыр в ядрах активных галактик, удаленных на расстоянии от 8 до 12 млрд. св. лет, является источником фона космического рентгеновского излучения.
    В окруженных плазменными облаками ядрах активных галактик массой 10¹⁰-10¹² М_¤ и размерами 10¹³-10¹⁶ м в основном скрываются черные дыры массой до 10⁸ М_¤ , в которые падает газ в количестве 1 М_¤ в год (масса черной дыры в центре галактики NGC 1068 - 10000000 М_¤ ; в галактике NGC 4258 - 36000000 М_¤ ; в галактике NGC 4486В - 500000000М_¤ (!); реже там обнаруживаются массивные магнитоплазменные конфигурации - "сверхзвезды" массой до 10⁸ М_¤ , существование которых обусловлено редчайшим стечением обстоятельств и (или) звездные скопления с плотностью 10⁶-10⁸ звезд/пк³ (в недрах туманности Тарантул в Большом Магеллановом облаке содержится свыше 10 звезд с массами 100 –150 М_¤ ) - экзотические неустойчивые объекты, которые не могут существовать свыше 10⁵-10⁸ лет.
    Происходящие в ядрах нормальных галактик массой 10⁶-10⁷М_¤ и размерами 1-15 пк активные процессы сродни вышеописанным, но не сравнимы с ними ни по масштабам, ни по выделению энергии. Массы черных дыр в центрах нормальных галактик (в настоящее время их известно около 40) составляют 0,2% массы балджа (центральной части) галактик (0,3-0,5% от общей массы галактик).
    В процессе эволюции галактик происходит круговорот вещества: межзвездный газ - звезды - межзвездный газ, приводящий к постепенному увеличению содержания тяжелых элементов в межзвездном газе и звездах и к уменьшению количества межзвездного газа в каждой из галактик. При этом происходит истощение запасов межзвездного газа, снижение темпов звездообразования и общего числа звезд новых поколений и рост количества белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр.
    Результатом действия сил тяготения в тесных скоплениях галактик является "галактический каннибализм": крупные массивные галактики притягивают из окружающего пространства менее массивные объекты, делают их своими спутниками и даже поглощают. Так, вероятно, образуются взаимодействующие и некоторые активные галактики.

   Если процесс эволюции рассматривать с точки зрения морфологии галактик (как этого придерживался Хаббл и некоторые астрономы сегодня), то наша Галактика находится в стадии -Sb, пройдя в ходе эволюции стадии -Irr I и -Sc. Видимо, за следующие 5-6 млрд лет она перейдет в стадию - Sa, а потом - S0. Еще ≈ 7-8 млрд лет будет находится в стадии эллиптической галактики - E, а затем - квазар. То есть, Irr+S+E+квазар = ок.25 млрд лет. Конечно, это весьма приближенная грубая прикидка, и то если галактика проходит все стадии эволюции. Сейфертовские галактики (Sy), скорее всего, быстрее превращаются в квазары, но насколько быстрее, трудно сказать. Таким образом, получается, что для формирования эволюционным путем квазаров потребуется не менее 20-25 млрд лет. Но квазары мы наблюдаем сейчас. Поэтому можно сказать что возраст Вселенной вполне может быть около 35 млрд. лет.
    Таким образом, с конденсационной точки зрения, галактика возникает из диффузного газопылевого облака, сперва, в виде иррегулярной галактики (Irr I), потом последовательно проходит спиральные (S) и эллиптические (E) стадии, и завершает свой путь коллапсом, в виде некоего сферического тела - квазара (QSO). По сути, выходит, то что мы называем галактиками, являются разными состояниями протоквазарного облака, которое постепенно сжимается и коллапсирует (конденсируется). Вот этот ход изменения протоквазарного облака, его различные состояния, мы наблюдаем в виде различного типа галактик (Irr, S, E). То есть эволюция галактик есть нечто иное как единый конденсационный процесс протоквазарного облака и мы его можем выразить следующей схемой: Irr I - S (Sc - Sb - Sa - S0) - E (Е7 - Е5 - Е3 - Е0) - QSO.