книги / Эволюция звёзд и галактик

пых попытках объяснения спиральной структуры дина­ микой материальных точек. Она должна быть понята в рамках законов движения газовых масс и теории маг­ нитных полей.

Практически не было сделано никаких количествен­ ных измерений, и это является примером того, как мно­ гого можно достичь и без них. Конечно, теперь следова­ ло бы связать все это численными соотношениями. Однако исследование М31 уже пролило свет па ряд важных проблем.

Глава 6 *

ПЫЛЬ И ГАЗ * В ГАЛАКТИКАХ

*

$

$

В гл. 5 я познакомил вас с распределением пыли и газа в туманности Андромеды; мы видели, что эта ма­ терия концентрируется в спиральных рукавах и являет­ ся их первичной составляющей. Пыль и газ создают спиральные ветви, а сверхгиганты населения I, которые также обрисовывают спиральные ветви, являются вто­ ричным явлением; они образовались в уже существо­ вавших рукавах.

Предположение о неравномерном распределении пы­ ли и газа в нашей Галактике вызвало серьезные сомне­ ния, поскольку непрерывное увеличение интенсивности межзвездных линий с расстоянием приводило к мысли, что существует тонкий слой пыли и газа, равномерно распределенных по всей Галактике.

Гвидо Мюнч первый показал, что в нашей Галакти­ ке пыль и газ действительно концентрируются в спи­ ральных ветвях. Чтобы выявить концентрацию пыли и газа, надо обратиться к области вдоль галактического экватора, где мы встречаем либо максимум, либо мини­ мум галактического вращения. Мюнч взял для проверки звезды ассоциации Персея вокруг скопления h и х Пер­ сея. Они находятся- в рукаве Персея довольно близко к области минимума галактического вращения; в среднем лучевые скорости должны быть порядка —50 км1сек. Известно, что наше Солнце находится у внутреннего края спиральной ветви. Мы наблюдаем теперь меж­ звездные линии в спектрах звезд В в скоплении h и х Персея. Свет этих звезд должен пересечь нашу спираль­ ную ветвь с ее пылью и газом, что должно дать меж­ звездную линию с примерно нулевой скоростью, соот­ ветствующей центру масс спиральной ветви, где нахо­ дится Солнце. Интенсивность этой линии должна быть примерно постоянной, потому что звезды скопления так

близки друг к другу, что свет от этих звезд доходит до нас, проходя сквозь одни и те же межзвездные облака нашей спиральной ветви.

Межзвездные линии звезд рукава Персея должны быть сдвинуты относительно упомянутой выше линии на 50 км/сек, так как все они находятся на расстоянии около 2,5 кпс; должна появиться вторая линия, сдвину­ тая на 50 км/сек в фиолетовую сторону. Этой линии не­ обходимо, конечно, иметь разную интенсивность для различных звезд, в зависимости от того, на какой (ближней или дальней) стороне этой довольно большой ассоциации находится данная звезда. Пронаблюдав полтора-два десятка звезд в h и х Персея, Мюнч показал, что так оно и есть на самом деле. Все звезды имеют линию с нулевой скоростью (соответствующую пыли и газу нашей ветви), а также линию, сдвинутую на 50 км/сек (соответствующую центру масс в рукаве Пер­ сея), с разными интенсивностями. Мюнч представил это первое .убедительное доказательство на Римском съезде Международного Астрономического Союза в 1952 г. На этом же съезде Оорт представил первые результаты ис­

спиральных ветвях и очень низкую их плотность между ветвями. Работа Мюнча дала нам убедительные и на­ дежные сведения о распределении пыли и газа.

Таким образом, пыль и газ являются первичными в спиральной структуре, появление же сверхгигантов населения I — вторичное явление; они возникли из га­ за и пыли. Это означает, что спиральную структуру не­ возможно объяснить, основываясь на механике мате­ риальных точек, и необходимо применять динамику газовых масс.

Распределение областей Н II вдоль спиральных вет­ вей М31 наталкивает на вопрос, почему их нет вне вет­ вей. Ответ состоит в том, что звезды высокой свети­ мости, равно как пыль и газ, отсутствуют вне спираль^ ных ветвей. Наличие эмиссионных туманностей в М81 указывают на то, что М31 является не исключением, а правилом для спиралей. Число известных эмиссионных туманностей в М81 меньше (около 300—400),поскольку

74 Глава 6

эта галактика расположена дальше, однако ома об­ наруживает те же особенности, что и М31.

Как я уже отметил в конце предыдущей главы, было ясно, что звезды населения I в спиральных рукавах должны быть довольно молоды. В эллиптических галак­ тиках, напротив, звездообразование подошло к концу, так как пыль и газ были уже истрачены. Мы могли за­ ключить, что звездообразование там полностью прекра­ тилось уже некоторое время назад; во всяком случае, звезды населения II должны быть намного старше, чем звезды населения I. Наиболее важным из всего, что легло в основу разделения звезд на два населения, ве­ роятно, оказалась разница в возрасте.

Обратимся теперь к общей структуре М31, оставляя в стороне ее спиральное строение. Разрешение М31 было выполнено в основном для центральной области — не непосредственно в центре, но подальше, где плот­ ность не столь высока. На первый взгляд казалось, что звезды населения II встречаются лишь в центральных областях. Но при фотографировании М31 каждый раз, когда пластинка была хорошей, я находил, даже далеко от центра, фон звезд населения И, заполняющий всю туманность Андромеды. В общем распределение интен­ сивности таково, как оно обычно выявляется фотометри­ ческими работами — с очень высоким пиком в центре и медленным падением к краям.

В области между M3I и М32 есть звезды населе­ ния II. В другой области, в 1°,5 от центра М31, наблю­ дается градиент плотности звезд населения II, число которых уменьшается в направлении большой оси. Это является примером того, в какой степени звезды насе­ ления II заполняют всю туманность Андромеды.

Позднее, когда вступил в строй 200-дюймовый теле­ скоп, все эти факты стало легко проверить. Я смог опре­ делить протяженность М31 вдоль малой оси; оказа­ лось, что население II чрезвычайно легко можно проследить до расстояния 45' от центра. И это замеча­ тельно, поскольку в этом направлении из-за наклона ту­ манности градиент так велик, что можно поручиться, что если в данной точке еще есть звезды, то в 2 ' или 3' дальше их ни одной уже больше не будет. Это рас­

стояние в точности соответствует тому, до которого Стеббинс и Уитфорд смогли проследить излучение М31 с помощью фотоэлемента; они наблюдали распределение интенсивности вдоль малой оси и на этом расстоянии достигли поверхностной яркости около 27т — 28шс квад­ ратной секунды дуги. Это вполне удовлетворительное положение: отдельные звезды можно увидеть до тех же расстояний, до которых фотоэлемент позволяет просле­ дить излучение системы.

Гораздо труднее проследить протяженность М31 вдоль большой оси, потому что отношение осей состав­ ляет около 1 :4 и все находится в четыре раза дальше. Малая ось имеет то преимущество, что изофоты сближе­ ны, а вдоль большой оси градиент чрезвычайно мал и нужно «идти» до значительных расстояний. Надо по­

хорошо заметно до расстояний около 2° с обеих сторон.

пластинки на 48-дюймовой камере Шмидта. Это обстоя­ тельство имеет что-то общее с хорошо известными ре­ зультатами радионаблюдений, показывающими, что в нашей Галактике края слоя межзвездного водорода отклоняются вниз от экваториальной плоскости в одном направлении и вверх в другом. В нашей Галактике газ находится строго в ее плоскости до расстояния в 8 кпс по обе стороны, но затем он слегка отклоняется с одной стороны вниз и с другой вверх. На расстоянии в 2° вдоль большой оси М31 я все еще находил хорошо за­ метное население II; следующий шаг приходился на расстояние в 2°25', и здесь я потерял следы этого насе­ ления. В конце концов оказалось, что население II вне­ запно отклоняется от большой оси. Я получил снимок М31 с 7-часовой выдержкой на 48-дюймовой камере Шмидта со специальным фильтром и на этой пластинке увидел, что население II отклоняется с обеих сторон от большой оси: оно отходит от оси на разных ее концах в противоположные стороны. Что бы это могло озна­ чать? Нужно проверить ориентацию в пространстве и

76 Глава 6

выяснить, в каком направлении происходит отклонение. Вполне возможно, что это свидетельство приливного взаимодействия между нашей Галактикой и туманностью Андромеды; я говорю об этом со всей осторожностью, потому что взаимного расположения систем в простран­ стве я не проверял.

То, что во всех этих случаях мы имеем дело с насе­ лением II, было, наконец, превосходно проиллюстриро­ вано пластинками, полученными на 2 0 0 -дюймово1\! теле­ скопе. На каждой из этих пластинок не очень далеко от центра обычно видно одно, два или три шаровых скопления; всегда, когда есть скопление, оно разрешает­ ся одновременно с населением II. Поэтому мы абсолют­ но уверены в том, что имеем дело с тем же самым на­ селением, что и в шаровых скоплениях.

При взгляде на звезды населения II на оригиналь­ ных пластинках в Г,5 от центра сразу же возникает впечатление, что главное тело М31 действительно со­ стоит из звезд диска, населения II (т. е. из старых звезд, сравнительно богатых металлами. — Перев.). Мейел, посмотрев на эти пластинки, выразился очень точно:

вается и при количественных измерениях. Изучая рас­ пределение интенсивности в М31 по всем направлениям, Холмберг смог выделить излучение спиральной структу­ ры. Ему удалось измерить количество света, посылае­ мое отдельно спиральной структурой и диском. Оказа­ лось, что 85% света М31 приходит от населения диска и менее 15% — от спиральной структуры. Другими сло­ вами, если бы вся спиральная структура М31 была уда­ лена, интегральная абсолютная величина упала бы при­

в основном верна. Интегральный показатель цвета М31 составляет +0т ,90; это в точности согласуется с тем, о чем я только что говорил. Среднее значение для эллип­ тических галактик имеет тот же порядок. Это снова означает, что вклад более голубых звезд М31 в общее излучение не столь значителен.

Позвольте мне перейти к вопросу, который еще нуж­ дается в дальнейших исследованиях: каково действи­ тельное отношение осей диска М31, искаженного проек­ цией? Хотя это кажется очень простой проблемой, она все еще не решена. Вероятно, наилучшие сведения об этом дают изофоты, построенные Хилтнером и Вильям­ сом по снимку туманности Андромеды, полученному с 18-дюймовой камерой Шмидта на Паломаре. Они по­ лучили удлиненную фигуру с отношением осей около 4 : 1. Их значение для малой оси хорошо согласуется со значением Стеббииса и с действительным разрешением на звезды населения II.

Однако ряд фотометрических исследований, в кото­ рых наблюдатели ограничивались изучением распреде­ ления интенсивности вдоль большой и малой осей, но в других отношениях работали весьма тщательно, дал значения порядка 1 : 2,4 и даже 1 : 2. Значение 1 : 2,4 было получено и Холмбергом и Редманом. Этот резуль­ тат вызывает тревогу; ясно, что из-за очень малого гра­ диента крайне трудно определить протяженность систе­ мы вдоль большой оси; здесь работа идет близ предела чувствительности пластинки. Определить это отношение очень важно.

Рассмотрим теперь, каков действительный наклон экваториальной плоскости М31 к лучу зрения. Наилуч­ шее определение, конечно, можно сделать по областям НН. Для каждой спиральной ветви берется расстояние от центра по большой оси и по малой, поскольку есть все основания думать, что М31 подобна нашей Галак­ тике и все области Н II лежат примерно в одной пло­ скости. В этом случае отношение осей получается рав­ ным 1 :4,9, что приводит к наклону экваториальной плоскости к лучу зрения в 11°,7. Вопрос этот ясен, одна­ ко еще нет уверенности в отношении осей всего диска.

ния II, наложенную на плоскую корону, связанную с центральной системой. Я думаю, что это решение проб­ лемы, но кто знает. Решить этот вопрос в самом деле

очень важно. Я старался зажечь энтузиазмом несколь­ ких наблюдателей с фотоэлектрической техникой, но после первых попыток они обычно отказывались; это нелегко. Чтобы выявить пределы системы с удовлетво­ рительной точностью, нужно быть уверенным в том, что область, в которой вы ведете измерения, не содержит звезд ярче, скажем, 21т . Галактическая широта М31 составляет 21°; она окружена весьма однородным звезд­ ным полем. Необходимы очень длительные экспозиции, чтобы убедиться, что ваша область свободна от звезд. Это длительная процедура; необходимо использовать большой телескоп и нужна уверенность в том, что нульпункт не изменяется. Но я все же думаю, что это нужно сделать фотоэлектрически, ибо не верю, что методы фотографической фотометрии позволят это осуществить

сдостаточной точностью.

Яполагаю, что, кроме диска, существует еще коро­ на, поскольку наиболее удаленные шаровые скопления располагаются вне любого допустимого протяжения са­ мого диска. Мы знаем, что диск простирается до рас­ стояния в 45'; если мы возьмем этот хорошо установ­ ленный наблюдениями предел, то при отношении осей 1:3 мы получим, что NGC205 целиком лежит внутри М31. Отношение осей 1:3 — верхний предел, диск опре­ деленно вытянут еще больше. Вдоль большой оси можно найти объекты, указывающие, что надо идти дальше.

Известные шаровые скопления простираются далеко за пределы диска, и это означает, что должна существо­ вать какая-то корона. Но эта корона по сравнению с ко­ роной нашей Галактики значительно более уплощена; она не сферическая, иначе мы находили бы шаровые скопления лишь в сферической области. Уплощенная корона и диск как раз и могли бы вызвать именно та­ кую путаницу, с которой мы сейчас встречаемся.

На этом мы заканчиваем предварительное исследо­ вание галактики М31; оно дало нам правильное пред­ ставление о спиральной структуре. Знание того, что пыль и газ определяют спиральную структуру, проли­ вает новый свет на ряд проблем. Например, если бы галактика типа Sb, подобная М31, не содержала газа и пыли, это означало бы, что спиральная структура не

может образоваться, и в ней не было бы ярких сверх­ гигантов. Весьма любопытно, что такие системы дей­ ствительно существуют. Система NGC5838, типа SOb, не содержит газа и пыли, в ней нет спиральной струк­ туры, однако она все еще принадлежит к типу Sb. И та­ кие системы не только существуют, но даже преобла­ дают в плотных скоплениях галактик. Следовательно, системы такого рода должны иметь что-то общее с си­ стемами типа SO.

В своей речи при открытии обсерватории Мак-До­ нальд Хаббл ввел тип SO, в некотором смысле неясный. Мне было очень трудно понять существо дела, потому что Хаббл пытался представить SO как переходной тип между эллиптическими и спиральными галактиками, хотя и признавал, что нелегко объяснить, почему должен су­ ществовать такой переходный тип. Когда выяснилось, что в системах, в которых нет пыли и газа, нельзя ожидать и спиральной структуры, мы снова вернулись к типу SO. Я вспоминаю, что много раз обсуждал с Хабблом этот вопрос; мне было непонятно, что он подразумевает под этим типом. Он всегда показывал мне набор причудли­ вых систем, у которых было небольшое темное кольцо вблизи центра вокруг внутренней области, представляю­ щее собой поглощающую материю, но в других отно­ шениях это были аморфные эллиптические галактики или же родственные им системы. Теперь я понимаю его сом­ нения: он хотел связать эллиптические галактики со спиральными и думал, что эти кольца могли бы быть первым признаком появления спиральной структуры.

Оказалось, что Хаббл всегда классифицировал си­ стемы, подобные NGC 5838 и лишенные газа и пыли, как SO. В конце концов я понял, что под SO он подразуме­ вал просто «отсутствие спиральной структуры»; под ко­ нец он допускал, что этот класс должен содержать по крайней мере такие системы, где спиральную структуру следовало бы ожидать, но где ее не было. Хаббл все еще настаивал на большой важности своей погранич­ ной группы галактик, внутри которых видны полосы по­ глощения. Он полагал, что мог связать эллиптические галактики со спиральными, считая системы типа SO та­ кими, где спиральная структура только начинает цоя.в-

Глава 6

ляться, но таких систем, как мы теперь знаем, просто не существует.

Я думаю, в конце концов совершенно ясно, что, вводя класс SO, его следовало бы определить как класс галак­ тик, в которых, судя по их общему виду, надо было бы ожидать наличия спиральной структуры, но в которых,

о всех этих фактах преобладания в скоплениях галак­ тик этих систем без пыли и газа н без спиральной струк­ туры. С-пицер сразу же заметил, что такие системы дол­ жны встречаться, поскольку в скоплениях столкновения галактик должны быть часты. Средняя длина свободно­ го пробега для звезд столь велика, что системы могут двигаться свободно, ие подвергаясь никакой опасности; если скорость столкновения достаточно велика, переход энергии от одной системы к другой очень мал, по край­ ней мере в той степени, в какой это касается звезд. Но с газом и пылью положение совсем иное; в этом случае произойдет действительное столкновение, и в результа­ те, когда обе системы отойдут снова друг от друга, пыль и газ останутся между ними. Что с ними случится,— это уже другой вопрос.

Если допустить скорость столкновения 5000 км/сек или больше, как можно ожидать в центре скопления, например в скоплении в Волосах Вероники, то при этих условиях газ нагреется до температуры свыше миллио­ на градусов. Спицер чрезвычайно заинтересовался тем, сможет ли горячий газ, оставшийся между галактика­ ми, охладиться столь быстро, чтобы освободить эту энергию и снова сконденсироваться. Вопрос еще далеко не решен. Но в принципе это обоснованное и очевидное объяснение «ободранных» галактик в плотных группах, подобных скоплениям в Волосах Вероники и Северной Коропе.

В то время Спицер использовал старую шкалу pacJ стояний и подсчитал, что в среднем в плотном скопле­ нии на каждую галактику должно приходиться несколь­ ко десятков столкновений. При подсчетах с новой шка­ лой расстояний число столкновений не будет таким большим, но это и лучше; процесс был настолько эф­