Печать

[фок Гюнце]

И такое бывает

Полюбуйтесь фотографией

Это - спиральная галактика с баром ESO 137-001 (диаметр диска около ста тысяч световых лет, то есть, относительно крупная), удаленная от нас примерно на двести тридцать миллионов световых лет и имеющая все признаки активного звездообразования.

Галактика находится под притяжением богатого скопления Abell 3627 (пятьдесят квадриллионов масс Солнца). Расстояние от нее до центра кластера Abell 3627 - менее миллиона световых лет.

Чтобы понять странную медузообразную форму галактики с многочисленными направленными в одну сторону хвостами длиной до трехсот, а то и до четырехсот тысяч световых лет, следует посмотреть на ее рентгеновскую фотографию:

Ничего не напоминает?
Тогда покажу аналогичную фотографию:

Да, это оно. Ударные волны в газе.
Под действием притяжения кластера галактика движется в межгалактическом газе со сверхзвуковой скоростью (примерно две с половиной тысячи километров в секунду), сжимая его в ударные волны и попутно нагревая до ста (и более) миллионов градусов.
Набегающий сверхзвуковой поток сжатого межгалактического газа буквально выдувает из галактики, особенно, из ее внешних областей, ее галактический газ, который растягивается "за ее спиной" в грандиозные хвосты.

Интересную особенность хвостов нетрудно заметить - они голубые. И с явно видимыми областями активного звездообразования. Сжатый газ в хвостах успевает конденсироваться в звезды, так что в них происходит пусть даже не слишком активное, но все же заметное звездообразование интенсивностью раз в двадцать ниже, чем в Млечном пути (впрочем, замечу, что звездная масса Млечного пути на два порядка больше массы хвостов, так что удельный темп звездообразования в них стоит считать достаточно высоким).

А результат процесса достаточно интересен: масса газа, выброшенного набегающим потоком из галактики в ее хвосты, оценивается примерно в три миллиарда солнечных масс - а масса газа, оставшегося в галактике, примерно в миллиард солнечных масс. Примерно три четверти газа галактика при взаимодействии со сверхзвуковым потоком межгалактической среды потеряла.

И не думайте, что это - такое уж уникальное явление. Вот еще пример:

Галактика IC 3418. Позади галактики также виден хвост ударной волны, распространяющейся в межгалактическом газе и образованной при сжатии газа галактикой, несущейся через него со сверхзвуковой скоростью. Ну, а в хвостах газа позади галактики тоже идет внегалактическое звездообразование.

В общем, эти фотографии напоминают нам, что не только между звездами, но и между галактиками пространство является не пустотой, а газовой средой.

Кстати, подобных характерно выглядящих медузообразных галактик, за которыми тянется шлейф газа и молодых звезд, формирующихся на фронте сверхзвуковой ударной волны и в вырванных встречным потоком газа хвостах, известно не менее десятка.

[фок Гюнце]

И еще о внегалактическом звездообразовании

Эта прелесть - пара взаимодействующих галактик NGC 4490 Кокон и NGC 4485.
Когда-то они были спиральными, что еще можно заметить, если вглядеться...

А вот отдельная фотография NGC 4485. Обратите внимание на звездообразование в мосте, связывающем ее с NGC 4490.

[Colombo]

Под действием притяжения кластера галактика движется в межгалактическом газе со сверхзвуковой скоростью (примерно две с половиной тысячи километров в секунду), сжимая его в ударные волны и попутно нагревая до ста (и более) миллионов градусов.

Ударная волна в газе - это поверхность разрыва газодинамических параметров (давление, плотность, температура, скорость), а не объем. "Сжать газ в ударную волну" - это в соседнюю тему. Можно с осторожностью говорить об аналогии сверхзвуку в межгалактическом газе, предварительно осознав масштабы и применимость понятий сплошной среды. Для начала таких как элементарный объем, а потом уже и к уравнениям. В данном случае интерес представляет как раз механизм, а не картинка. Характерные масштабы длин, времен и прочего. Самое простое: что расталкивает межгалактический газ? В газодинамике это поверхность тела, а здесь? Проще говоря, как устроен Космос?

[фок Гюнце]

Под действием притяжения кластера галактика движется в межгалактическом газе со сверхзвуковой скоростью (примерно две с половиной тысячи километров в секунду), сжимая его в ударные волны и попутно нагревая до ста (и более) миллионов градусов.

Ударная волна в газе - это поверхность разрыва газодинамических параметров (давление, плотность, температура, скорость), а не объем. "Сжать газ в ударную волну" - это в соседнюю тему. Можно с осторожностью говорить об аналогии сверхзвуку в межгалактическом газе

В каком смысле, аналогии? Тело движется в газовой среде со скоростью, превосходящей скорость звука в этой среде - это является не аналогией сверхзвукового движения.

Самое простое: что расталкивает межгалактический газ? В газодинамике это поверхность тела, а здесь? Проще говоря, как устроен Космос?

С точки зрения межгалактического газа налетающая на него галактика (если оставить в стороне тонкости гравитационнного взаимодействия) является компактной ионизированной струей существенно более плотного газа с рассеянными в ней твердыми частицами малого размера. При этом компактность струи обеспечивается гравитационным взаимодействием.
В общем, преимущественно, межгалактический газ расталкивается газовым гало галактики, магнитными полями, взаимодействием со звездами.

Вообще-то, по хорошему, галактическая среда в этом, как и многих других случаях больше подобна жидкости.

[Colombo]

В каком смысле, аналогии? Тело движется в газовой среде со скоростью, превосходящей скорость звука в этой среде - это является не аналогией сверхзвукового движения.

В самом прямом. Сначала нужно понять природу передачи возмущений в межгалактическом газе. В воздухе это звуковые волны, т.е. продольные колебания давления. В межгалактическом газе это может и не быть основным механизмом, откуда мы знаем?

Самое простое: что расталкивает межгалактический газ? В газодинамике это поверхность тела, а здесь? Проще говоря, как устроен Космос?

С точки зрения межгалактического газа налетающая на него галактика (если оставить в стороне тонкости гравитационнного взаимодействия) является компактной ионизированной струей существенно более плотного газа с рассеянными в ней твердыми частицами малого размера. При этом компактность струи обеспечивается гравитационным взаимодействием.
В общем, преимущественно, межгалактический газ расталкивается газовым гало галактики, магнитными полями, взаимодействием со звездами.

Вот... При обтекании тела на его поверхности ставится граничное условие непротекания (про вязкость пока не будем). Если вместо поверхности у нас гало, поля и взаимодействие, условие требует уточнения: как оно выглядит и даже где именно ставится: поверхности-то как таковой нету, если я правильно понимаю? И нам никуда не деться от вопроса о масштабах.

Вообще-то, по хорошему, галактическая среда в этом, как и многих других случаях больше подобна жидкости.

Газ - это сжимаемая жидкость. По-любому. И vice versa, основное отличие жидкости от газа - несжимаемость. В каком смысле можно говорить о сжимаемости применительно к галактической среде - Вам, конечно, виднее, но в механике принято так.

Какой большой поршень
Нажал на наш Космос,
С галактик снес гало,
Как с молока (простите) пену...

[фок Гюнце]

В каком смысле, аналогии? Тело движется в газовой среде со скоростью, превосходящей скорость звука в этой среде - это является не аналогией сверхзвукового движения.

В самом прямом. Сначала нужно понять природу передачи возмущений в межгалактическом газе. В воздухе это звуковые волны, т.е. продольные колебания давления. В межгалактическом газе это может и не быть основным механизмом, откуда мы знаем?

По расчетам и прямым наблюдениям акустических колебаний, распространяющихся в межгалактическим газе.
Межгалактический газ - вполне нормальная среда плотностью для данного случая 200 - 500 и более атомов на кубометр и ткмпературой около десяти миллионов градусов. Для более спокойных случаев бывает холоднее.
Никто же не удивляется тому, что джеты галактики и ее сверхзвуковые спутники, нагревая акустическими колебаниями окружающий ее межгалактический газ, могут прерывать в ней звездообразование (если не возникают механизмы эффективного охлаждения).

Самое простое: что расталкивает межгалактический газ? В газодинамике это поверхность тела, а здесь? Проще говоря, как устроен Космос?

С точки зрения межгалактического газа налетающая на него галактика (если оставить в стороне тонкости гравитационнного взаимодействия) является компактной ионизированной струей существенно более плотного газа с рассеянными в ней твердыми частицами малого размера. При этом компактность струи обеспечивается гравитационным взаимодействием.
В общем, преимущественно, межгалактический газ расталкивается газовым гало галактики, магнитными полями, взаимодействием со звездами.

Вот... При обтекании тела на его поверхности ставится граничное условие непротекания (про вязкость пока не будем). Если вместо поверхности у нас гало, поля и взаимодействие, условие требует уточнения: как оно выглядит и даже где именно ставится: поверхности-то как таковой нету, если я правильно понимаю? И нам никуда не деться от вопроса о масштабах.

При взаимодействии струй, скорее, условие непрозрачности. И тут важно, чтобы длина свободного пробега атомов обтекающей среды в обтекаемом теле была намного меньшей размеров тела - а для галактики, движущейся в межгалактической среде, оно заведомо выполняется.

Вообще-то, по хорошему, галактическая среда в этом, как и многих других случаях больше подобна жидкости.

Газ - это сжимаемая жидкость. По-любому. И vice versa, основное отличие жидкости от газа - несжимаемость. В каком смысле можно говорить о сжимаемости применительно к галактической среде - Вам, конечно, виднее, но в механике принято так.

И вот тут и оказывается, что удельная  энергия взаимодействия внутригалактической среды выше удельной энергии взаимодействия с внегалактической. То есть, галактическая среда не разрушается при взаимодействии с внегалактической (но деформируется).
Здесь еще и галактические магнитные поля работают, участвующие в "расталкивании" набегающего потока.

[фок Гюнце]

Как-то рассказывал про кластер Abell 2744, продукт продолжающегося столкновения четырех скоплений галактик.
А вот расположенный подальше кластер MACS J0717+3745, без малого пять миллиардов световых лет от нас, тоже составленный при слиянии четырех скоплений:

Это он в оптике.

А это - комбинированная фотография.
Синий цвет - рентгеновское излучение (разогретый при столкновении до миллионов градусов газ), розовый - радиоизлучение.

Центральная область радиоизлучения демонстрирует характерный эффект - синхротронное излучение частиц, которые тормозятся магнитными полями на фронте столкновения и при торможении излучают фотоны низкой энергии (радиоволны).

Кстати, помните рассказ про Первый поцелуй? Одним из признаков того, что он действительно первый, как раз и является отсутствие такой юбочки - зоны радиоизлучения, окаймляющей поверхность столкновения кластеров. А розовая юбочка на этой фотографии показывает, что в данном случае романтические отношения длятся уже долго.

Розовая полоса левее и ниже области столкновения - посторонняя. Это попавшее в кадр радиоизлучение джетов наложившейся на снимок более близкой галактики с активным ядром.

А вот розовая полоска слева внизу к происходящему имеет прямое отношение. Это - радиогалактика одного из сливающихся кластеров, вернее, радиоизлучение ее джета.

Фотография иллюстрирует одну любопытную подробность динамики слияния кластеров. Филамент (вытянутая нитеобразная структура темной материи, сопровождаемая притянутым к ней межгалактическим газом и галактиками, которых меньше, чем газа, по массе раза в полтора) длиной около тринадцати миллионов световых лет почти центрально втягивается в область уже идущего слияния трех кластеров. В зоне столкновения галактики продолжают движение (им-то что?), а газ тормозится, сталкиваясь с газовым облаком сливающихся скоплений, отделяется от галактик (и, разумеется, от темной материи, в первую очередь) и нагревается.

[фок Гюнце]

Может, помните - здесь: http://forum.kamsha.ru/index.php?topic=101.msg76820#msg76820 в посте о происхождении рукавов спиральных галактик рассказывалось про резонансы Линдблада - состояния, при которых звезда в галактическом диске обращается вокруг центра галактики по эллипсу, вращающемуся с той же скоростью, что и сама звезда. А расстояния от центра галактики, на которых орбита звезды находится в резонансе Линдблада, именуются радиусами Линдблада - внешним и внутренним.

А напомнил я о них, чтобы показать удачную фотографию: 

Сейфертовская галактика NGC 3081 с активным звездообразованием демонстрирует, что галактикам все формы покорны - и спиральная, и кольцевая.
Активное звездообразование происходит, преимущественно, во внешнем кольце и в области ядра.

При этом внешнее кольцо с активным звездообразованием  находится на внешнем радиусе Линдблада, а внутреннее, как, думаю, вы догадались - на внутреннем (и материалом для звездообразования в нем служит газ, "накачанный" извне спиральными рукавами, находящимися между кольцами. Механизм накачки согласно описан в ссылке выше).

Такие образования именуются резонансными кольцами.

Обратите внимание на красоту множества областей звездообразования в резонансных кольцах галактики.

[фок Гюнце]

Это - удаленная от нас всего на 62 миллиона световых лет спиральная галактика NGC 4651, известная как Umbrella.

Причина такого названия очевидна - рядом с диском этой большой галактики, уступающим нашему в диаметре всего в два раза, находится интересное образование размерами более 50 тысяч световых лет.
Это - звездный приливный поток, состоящий из звезд и шаровых скоплений и являющийся остатком разрушенной и поглощаемой галактики-спутника. Таким же остатком является туманная пелена, обвивающая диск с другой стороны.
Маленькое голубое пятнышко в приливном мосте, увеличенное на врезке - ядро разрушенной галактики.

[фок Гюнце]

И немного истории

Перепись активных ядер галактик показывает, что наибольшая их активность (и наиболее активный рост сверхмассивных черных дыр) во Вселенной наблюдалась в среднем 10-11 миллиардов лет назад. А времена, когда активные ядра наблюдались в очень большом количестве, и интенсивность излучения квазаров и галактик Сейферта почти не зависела от массы черной дыры, его вызывающей, начали проходить примерно девять миллиардов лет назад.

Результат понятен и вполне согласован с другими наблюдениями. Скажем, с оценками зависимости содержания свободного газа в галактиках от красного смещения (то есть, времени). Именно начиная с указанного момента свободный газ в галактиках начал постепенно исчерпываться.
Кстати, этот результат прекрасно согласуется с историей звездообразования во Вселенной (вспомним, его максимум с интенсивностью примерно в 55 раз выше нынешнего пришелся как раз на те же времена, после чего темп звездообразования начал падать со скоростью примерно (1+z)^3,2). Суммарная активность ядер галактик и темп звездообразования начали снижаться синхронно - именно потому, что они определялись одним и тем же источником, свободным газом.

Соответственно, по мере снижения количества свободного газа активность наиболее массивных черных дыр начала снижаться. Разумеется, это в меньшей степени касается черных дыр сверхгиганских эллиптических галактик - эти активно питались и росли за счет материала, поглощаемого при мерджингах - речь идет о большинстве случаев, то есть, о черных дырах, использующих собственные ресурсы своих, в первую очередь, спиральных галактик.
При этом показательно то, что в первую очередь, снижалась активность самых крупных черных дыр, которые "уже все съели", а менее крупные, которые не успели поглотить весь доступный в их галактике материал для аккреции, могли сохранять активность.
Именно поэтому, начиная примерно с восьми миллиардов лет от наших дней, проявилось резкое падение активности ядер галактик, содержащих более массивные черные дыры, и функция зависимости активности ядра галактики от массы черной дыры начала заметно эволюционировать в сторону обрезания по большим массам.

В результате в современной Вселенной галактики с активными ядрами преимущественно делятся на две группы:
- сверхгигантские эллиптические галактики классов cD, D и gE - этим законы не писаны, они питаются соседями, пока не превратятся в далеко проэволюционировавший ископаемый кластер;
- спиральные (и не слишком крупные эллиптические) галактики с относительно небольшими центральными черными дырами, преимущественно, проявляющими активность как галактики Сейферта.

Отсюда можно сделать два вывода.

Вывод первый - становится ясным, отчего в наших окрестностях сейфертовых галактик полно, а квазаров не видно (ближайшие - в двух миллиардах световых годах). У черной дыры средних размеров как правило, возможностей проявить себя как квазар уже нет - не найти столько материала для поглощения - а сверхгигантские эллиптические галактики с колоссальными черными дырами редки, да и активность умеют проявлять иначе, как, скажем знаменитая М87 (Дева А), о которой я столько рассказывал (и о фотографировании ее центральной черной дыры - тоже) и ей подобные колоссы. Впрочем, многие исследователи достаточно обоснованно указывают, что М87 вполне заслуживает звания квазара.

Вывод второй. Идеальным кандидатом в галактики с активным ядром для современных условий является Млечный путь. А активности ядро нашей Галактики, тем не менее, не проявляет. Может, временно? Я же не раз рассказывал, что, судя по многим данным наша Галактика могла иметь достаточно активное ядро буквально только что (по астрономическим меркам).

[фок Гюнце]

Классическая фотография, наглядно иллюстрирующая, что такое гигантские эллиптические и гигантские спиральные галактики.

Это - пара взаимодействующих галактик Arp 116, состоящая из большого эллиптикала - классической сверхгигантской эллиптической галактики M60 и не менее классической гигантской спиральной галактики NGC 4647.
Сверхгигант М60 удалена от нас примерно на 54 миллиона световых лет, NGC 4647 -на 63 миллиона, так что реальное расстояние между ними в четыре раза превосходит расстояние между Млечным путем и галактикой Андромеды.

Несмотря на такое удаление, признаки взаимодействия М60 и NGC 4647 имеются (в том числе, на фотографии), и в перспективе, весьма нескоро, спиральный гигант будет поглощен эллиптическим сверхгигантом.

Ну, а наглядность сравнения - в том, что NGC 4647, гигантская спиральная галактика, близкая по размерам и массе к Млечному пути, уступает партнеру по размеру раза в полтора-два, а по массе - примерно на полтора порядка. Это - обычное явление: я рассказывал о том, что старые гигантские эллиптические галактики являются достаточно плотными из-за динамического трения, о котором я не раз рассказывал (эффект Чандрасекара,
http://forum.kamsha.ru/index.php?topic=1702.msg78782#msg78782)

Обратите также внимание на столь же классическое различие цвета эллиптической галактики (красная галактика со старым звездным населением, формируемым небольшими красными звездами - звездообразование в ней давно прекратилось; не забываем про особенности формирования гигантских эллиптических галактик и про даунсайзинг  http://forum.kamsha.ru/index.php?topic=1702.msg91726#msg91726)  и спиральной (голубая: цвет и светимость определяются молодыми недавно образовавшимися и еще не умершими большими звездами, поскольку, как обычно для спиралей, процессы звездообразования в ней продолжаются).

[фок Гюнце]

 

На этой комбинированной фотографии представлена центральная часть скопления галактик Abell 2744 (масса скопления - около четырех триллионов солнечных масс, удаление по времени распространения - почти четыре миллиарда световых лет. Я уже о нем писал - он представляет собой сразу четыре сливающихся друг с другом скопления галактик).

А привел я эту фотографию, чтобы рассказать: расчеты показывают, что значительная часть видимых на фотографии галактик через четыре миллиарда лет после того, как эта фотография была получена (то есть, в сопутствующем пространстве - в настоящее время) существовать не будет - не только из-за мерджингов, но и из-за разрушения приливными гравитационными взаимодействиями.

В частности, около двухсот миллиардов звезд из числа видимых на фотографии, к сопутствующему настоящему времени (к моменту через примерно четыре миллиарда лет после того, как получена фотография) будут выброшены из своих галактик и разбросаны по межгалактическому пространству.

[Colombo]

В частности, около двухсот миллиардов звезд из числа видимых на фотографии, к сопутствующему настоящему времени (к моменту через примерно четыре миллиарда лет после того, как получена фотография) будут выброшены из своих галактик и разбросаны по межгалактическому пространству.

Если проводить дилетантскую аналогию, то это брызги.

[фок Гюнце]

 Ну, да, брызги россыпью.
А вообще, интересно представить себе жизнь во внегалактической планетной системе. Особенно, по ночам.

[фок Гюнце]

Как это выглядит

Пара спиральных галактик NGC 2207 и IC 2163 (130 миллионов световых лет от нас) в начальной стадии мерджинга.

Они же в инфракрасном свете.

Прекрасно видны инфракрасные рукава (http://forum.kamsha.ru/index.php?topic=101.msg76820#msg76820) - области инфракрасного излучения нагретой пыли, а значит, области звездообразования, в которых газопылевые облака сжимаются в молодые протозвезды, а пыль при этом разогревается.
Заметно, что они окаймляют видеорукава (первой фотографии) спереди.

Они же в длинах волн рентгеновского диапазона.

Это - излучение нагретых до высоких температур (миллионы градусов) облаков газа. Это уже облака, нагретые большим количеством юных нейтронных звезд, взрывами сверхновых, джетами аккреционных дисков юных черных дыр звездных масс и иными характерными для бурного звездообразования высокоэнергетическими явлениями. Точечные объекты - ультраяркие ренгеновские источники - это и есть, скорее всего, тесные двойные системы, состоящие из черной дыры и аккреционного диска, формируемого из отрывающегося материала внешних слоев звезды-компаньона.

Темп звездообразования в паре галактик на самом деле невелик - по оценкам, около 24 масс Солнца в год (в нашей Галактике, напомню - около одной массы Солнца в год). При этом за последние полтора десятка лет в обеих галактиках взорвались по крайней мере, три сверхновые.

Ну, и комбинированная фотография - чтобы хорошо видеть, что есть что и где: