Галактики. Большой путеводитель по Вселенной - Джеймс Гич

эпохи, когда сформировались первые звезды и галактики и где высокое излучение было смещено в красную зону на очень низкие частоты, – это последний рубеж исследований эволюции галактик. Также LOFAR имеет и более практичное применение: он используется в качестве сенсорной сети, которая необходима для геофизических и сельскохозяйственных исследований.

Галактическая динамика: танцы под музыку гравитации

Мы много говорили о составе галактик и о том, как мы можем измерить необходимые компоненты, используя различные инструменты и методы наблюдения. Но есть еще одно важное наблюдаемое свойство галактик – динамика. Галактики не статичны: они движутся относительно друг друга с космическим расширением, а также с локальным гравитационным притяжением. Есть также и движения внутри отдельных галактик, которые мы можем измерить. Для галактик, таких как Млечный Путь, возможно, наиболее важным движением является вращение диска. Наша Солнечная система расположена примерно в двух третях пути от галактического центра и вращается вокруг него со скоростью более 200 км/с. При таком темпе требуется почти 250 млн лет, чтобы пройти по полной галактической орбите. Орбитальная скорость движения Солнечной системы вокруг центра контролируется некоторой относительно простой физикой: фактически это те же законы, которые управляют движением планет вокруг Солнца. Проще говоря, скорость вращения зависит от того, сколько гравитирующей массы существует между нами и центром нашей орбиты. Другими словами, нам нужно установить, сколько массы находится в Млечном Пути от центра балджа до радиуса Солнца.

Если рассматривать Солнечную систему как изолированную структуру, то она будет довольно проста, потому что бо́льшая часть всей массы системы находится в одной точке – это Солнце. Форма орбит планет в основном определяется гравитационным натяжением Солнца и, уже в меньшей степени, их взаимным притяжением. Внутренние планеты вращаются вокруг

Солнца быстрее, чем внешние. Распределение массы в галактике немного сложнее, но принцип тот же: скорость вращения диска на разных расстояниях от центра связана с количеством промежуточной гравитирующей массы в центре диска.

Представьте себе маленькую сферу с центром в балдже нашей Галактики. Теперь вообразите, что мы можем сложить всю содержащуюся в ней массу, а затем посмотреть, как она увеличивается по мере того, как мы увеличиваем сферу, постепенно охватывая все бо́льшую и бо́льшую часть Галактики, – это становится похоже на некий аудит галактической массы. На практике же следует помнить, что, наблюдая за галактиками, мы можем добавить только ту массу, которую мы действительно видим в форме излучаемого света. На первый взгляд кажется, что в центре Галактики много массы – особенно в этом большом, ярком и плотном звездном балдже. По мере расширения нашей воображаемой сферы, количество содержащейся в ней массы быстро увеличивается, и параллельно мы добавляем еще немного, захватывая спиральный диск. Наблюдаемая масса перестает расти и выравнивается, как только наша сфера выходит за пределы диска, где у нас кончаются звезды, пыль и газ – мы достигли общей наблюдаемой массы Галактики. Этот подход можно применить и к другим галактикам (на самом деле в отношении других галактик это сделать даже проще, потому что мы можем видеть их целиком, в то время как с Млечным Путем всегда будет сохраняться проблема точки наблюдения). Мы только что суммировали массу в Галактике как функцию радиуса от центра. Но если скорость вращения диска на разных радиусах зависит от общей массы, заключенной в оболочку, то более элегантным методом измерения общей массы спиральной галактики будет использование ее кривой вращения – изменения орбитальной скорости диска по мере того, как мы движемся от его центра.

Действующая здесь физика стара и знакома любому, кто изучает классическую физику. Здесь работают законы небесной механики, впервые выведенные Иоганном Кеплером в XVII веке. В частности, речь идет о третьем законе Кеплера, который гласит, что квадрат периода орбитального тела пропорционален кубу большой полуоси его орбиты и обратно пропорционален массе притягивающего тела. Другими словами, чем больше радиус орбиты тела с фиксированной массой, тем медленнее его скорость, тогда как увеличение массы в системе увеличивает и скорость орбиты. Законы Кеплера были доработаны и уточнены Исааком Ньютоном, который почти точно описал орбитальное движение через закон гравитации обратных квадратов. Его описание было не совсем верным, но в то время это было трудно увидеть в ходе наблюдений: общая теория относительности Эйнштейна прояснила ситуацию лишь в начале XX века, а именно на ней основана наша современная теория гравитации.

Чтобы измерить скорость вращения, мы можем обратиться к тому же эффекту, который вызывает красное смещение: различия в скорости светоизлучающего источника относительно некоторого наблюдателя (например, нас) приводят к небольшим изменениям в наблюдаемой длине волны или частоте испускаемого света. Таким образом, если диск вращается с разными скоростями, мы можем отслеживать это, измеряя наблюдаемую частоту некоторого известного излучения. Природа предоставила нам удобный инструмент для таких измерений: мы можем использовать 21-сантиметровое радиоизлучение от нейтрального атомарного газообразного водорода. В галактиках, подобных нашей, содержится много атомарного водорода, в том числе далеко за пределами диска, благодаря чему с его помощью можно измерять вращение прямо на галактических задворках. Зная изменения частоты от эталонных показателей 21-сантиметрового излучения, можно рассчитать и изменения скорости, поэтому если мы измерим относительные скорости облаков на всем протяжении Млечного Пути, то сможем измерить общее вращение Галактики. То же самое можно сделать и с оптическим светом от звезд или ионизированного газа: любая функция излучения, в которой мы можем точно измерить сдвиг частоты, подходит для такого отображения скорости, просто область HI здесь наиболее выгодна именно как крупномасштабный индикатор.

Можно, конечно, полагать, что кривые вращения галактик не готовят нам никаких сюрпризов, поскольку все это выглядит довольно простым. На самом же деле по результатам их правильного измерения, были сделаны крайне серьезные открытия. Астрономы ожидали, что кривые вращения дисковых галактик будут соотноситься с предсказанием Кеплера, предполагающим аудит видимой материи: масса, заданная кривой вращения, должна совпадать с массой, которую вы получаете, когда складываете все звезды, газ и т. д. Но данные показали нечто неожиданное. Если масса в галактике распределена так же, как и видимая материя, то можно ожидать, что орбитальная скорость диска быстро возрастет от центра к пику, а затем упадет, когда мы достигнем внешних краев диска. Тем не менее наблюдаемые скорости вращения дисковых галактик не уменьшаются с увеличением радиуса: удаляясь от центра, они сохраняют довольно постоянную скорость.

Это было довольно странно: ясно, что теория не соответствовала наблюдениям. К счастью, решение нашлось – ну, или как минимум его гипотеза. Одной из причин возникновения такой плоской кривой вращения является включение некоторого дополнительного компонента в галактиках, который распространяется по всей галактической среде