Галактики. Большой путеводитель по Вселенной - Джеймс Гич

Поскольку сила гравитационного захвата зависит от массы, легче удалить газ из гало с малой массой (например, из галактик-спутников в моделировании), чем из более массивных (таких, как родительское гало, с которым связана субструктура).

Рассмотрим формирование галактики, подобной Млечному Пути. Большое гало образуется в результате срастания небольших скоплений темной материи, постепенно создавая массивное гало, которое окружено множеством субгало. В то же время в них накапливаются барионы – газ. В самой плотной – центральной – части гало существует основа, которая станет диском галактики, а вокруг диска начинают формироваться протоспутники.

В какой-то момент в галактике запускается процесс формирования звезд. Вполне возможно, что звезды, которые образуются внутри отдельного субгало (карликовой галактики), через несколько миллионов лет при взрыве первых сверхновых истребят в нем весь газ. Фактически они погасят сами себя: энергия, выделяемая сверхновыми, сопоставима с энергией гравитационной связи карлика или даже больше нее. Образование звезд, происходящее в развивающемся диске, также оказывает давление на окружающих карликов, омывая их звездным излучением и взрывая их ветром от сверхновых и звезд. Если в центре галактики начинает расти сверхмассивная черная дыра, то может высвобождаться еще больше энергии обратной связи. Как песчаный замок, который смывает прилив, газ может быть удален из субгало. Если верить наблюдениям, некоторые из более массивных спутников могут сохранять часть своего газа, образуя видимых компаньонов, которые сохранятся до наших дней. Конечно, это всего лишь гипотеза; возможно, симуляции неправильны и создают слишком много субструктур во Вселенной. Сложившееся положение в парадигме «Лямбда-CDM» – источник хоть и беспокойства, но все же не паники, и напоминает нам что еще мы должны сделать.

Возможно, природа темной материи отличается от описанной нами модели: прелесть симуляций в том и заключается, что вы можете перестроить Вселенную с новым набором правил. Например, если сделать темную материю немного теплее, то та же симуляция Водолея не даст столько субгало, и эта картина будет более точно соответствовать количеству спутников, реально наблюдаемых в природе, что может оказаться важной подсказкой. Пока у нас нет эмпирических данных о свойствах самой темной материи (например, что это за частица) или наблюдениях, которые могут указывать на точность той или иной модели, она остается одной из главных загадок формирования галактик.

Изображение показывает распределение и температуру газа в большой части моделируемой Вселенной: более яркие белые оттенки – это области, где газ горячий (миллионы градусов), тогда как красно-оранжевые цвета обозначают более холодные области. Изучая потоки газа в галактике в ходе компьютерного моделирования, мы надеемся лучше понять процессы формирования и эволюции галактик при взаимодействии гравитационных сил и обратной связи, возникающей, когда звезды и черные дыры выбрасывают огромное количество энергии в окружающую среду

Теория и моделирование позволили нам исследовать процесс образования галактик из изначального хаоса, используя наилучшие предположения для рассматриваемой физики. Больше всего меня удивляет в нем то, как очень сложные системы со структурой и порядком в огромном диапазоне масштабов эволюционировали из начальных условий с помощью набора относительно простых правил, управляющих движением и поведением самых базовых элементов – частиц материи.

Самая наглядная иллюстрация этого – красивые спиральные рукава галактик в нашей части Вселенной. Как эти световые вертушки сформировались и продолжают существовать?

Формирование галактик

Мы говорили о том, как галактики первоначально образовались в результате коллапса флуктуаций плотности в море материи. Газ, направленный в одну из этих «избыточных плотностей», может образовать сплющенный вращающийся диск, потому что общий сгусток вещества, из которого коллапсировала протогалактика, имел большой момент импульса: он вращался из-за гравитационных приливных моментов и взаимодействий внутри большого объема распределяющейся материи. По мере того как гало подвергается действию гравитации, этот момент сохраняется (одно из основных правил физики, знакомое по школе), и галактика «раскручивается», сокращаясь и уменьшаясь в радиусе. При таком вращении барионы оседают на вращающемся диске, напоминающем раскручиваемый кусок теста для пиццы.

Центробежные силы действуют на газ во вращающемся диске, выталкивая его в радиальном направлении наружу и против действия силы тяжести, предотвращая его коллапс в единый комок. Если момент импульса не потерян, галактика может сохранять диск в течение длительных периодов. Это каноническая картина. Хотя точная физика формирования диска немного сложнее, это основное представление, которое объясняет существование дисковых галактик, подобных нашей. Поскольку в диске присутствует дифференциальное вращение (это не твердое тело; газ относительно свободно связан внутри самого диска), спиральные рукава могут образовываться из-за возмущений плотности, которые распространяются через вращающийся диск. Газ и новые звезды, которые находятся на орбите центра галактики, могут накапливаться в виде пятен при прохождении волны плотности. Источником волны может стать случайное возмущение гравитации или диска, вызванное, например, соседним гало, или аккреция спутника.

Часто приводимая аналогия – автомобили, которые образуют локализованную, медленно распространяющуюся пробку на автомагистрали, вызванную, возможно, медленным движением какой-то из машин. Проходя мимо быстро движущихся автомобилей (некоторые обгоняют, некоторые застряли сзади), мы сталкиваемся с небольшим скоплением людей, которые могут распространяться вдоль дороги. Медленно движущаяся машина похожа на волну плотности, и когда она распространяется через диск, вокруг него могут образовываться газ и звезды. Однако поскольку диск также вращается по-разному, сгустки газа и звезд намотаны в виде спирали. Эти ветви выделяются еще больше, потому что увеличение плотности газа приводит к увеличению скорости звездообразования (волны плотности могут инициировать образование звезд, вызывая разрушение газомолекулярных облаков). Поэтому в спиральных галактиках мы видим, что их рукава полны ярких синих звезд и пятен эмиссии ионизированного газа.

Если момент импульса диска рассеян (например, в результате слияния двух галактик) вращательная поддержка будет потеряна, а система превратится в нечто, больше похожее на балдж или эллиптическую галактику, форма которой определяется тем фактом, что звезды перемещаются на случайные, а не круглые орбиты вокруг общей массы. Эти системы называются системами с «поддержкой под давлением» или «с преобладанием дисперсии». Одними из таких систем являются эллиптические галактики: это продукт накопления большого количества слияний в начале их истории, стерших любое упорядоченное вращение, которое когда-то могли иметь составляющие их звезды. Кстати, эта бурная ранняя история может также объяснить их старый звездный возраст: если слияния произошли в начале эволюции эллиптических галактик (которые образуются в самых плотных средах), то это могло вызвать интенсивный рост звездообразования, очень быстро истощая бо́льшую часть газа.

Образование балджа дисковой галактики, не поддерживаемой вращением, – немного спорный вопрос. Некоторые балджи могут принимать миниатюрные