Галактические столкновения. О судьбе Млечного Пути — член-корреспондент РАН А.В. Иванчик

Согласно наблюдениям и расчетам, через 4 млрд лет Млечный Путь столкнется со своим ближайшим соседом в местном скоплении — галактикой Андромеда. Подобное слияние крупных галактик может продолжаться в течение нескольких миллиардов лет. Однако не стоит ожидать от такого сближения ярчайших разрушительных взрывов. Как правило, слияние галактик проходит в основном в бесстолкновительном режиме для звезд, ведь расстояние между звездами слишком велико. Между тем некоторые звезды будут выброшены на периферию галактики, а газ и пыль будут стягиваться к сближающимся ядрам, разрушая спиральные рукава двух галактик. Что ждет Андромеду и Млечный Путь? Рассказывает член-корреспондент РАН Александр Иванчик.

— Космос кажется нам статичным пространством, где на сотни световых лет ничего не происходит. Так ли это на самом деле?

— Конечно, это не так. Если вы долго и внимательно будете смотреть на звездное небо, то заметите, что звезды все-таки двигаются. Это замечали и древние люди, при этом они интерпретировали изменения как движение хрустальных сфер с закрепленными на них звездами. Впоследствии ученые осознали, что перемещение звезд на небосводе связано с вращением Земли.

Если исключить вращение Земли и пытаться отследить положение звезд на небе, то, конечно, в основном они кажутся статичными. Это связано с тем, что космические объекты настолько удалены от нас, что их реальное движение едва заметно. Тем не менее уже несколько столетий назад, когда начались планомерные наблюдения астрономов, стало очевидно, что звезды все же меняют свое положение на небе, двигаясь по космическому пространству.

Еще два столетия назад знаменитый немецкий математик Фридрих Вильгельм Бессель, наблюдая за ярчайшей звездой ночного неба Сириусом, заметил, что, помимо стационарного движения, звезда еще периодически меняет свое положение. Бессель предположил, что Сириус на самом деле представляет собой систему из двойных звезд; впоследствии это было подтверждено.

Таким образом, систематические наблюдения за движением космических объектов начались несколько веков назад. Поэтому научное сообщество точно знает, что звезды двигаются, перемещаются относительно друг друга, как и галактики, которые можно считать звездными островами.

Движение галактик было обнаружено около 100 лет назад. В то время о галактиках ничего не знали. Считалось, что существует лишь наша галактика Млечный Путь, внутри которой наблюдаются различные туманности. Это отчасти правда, ведь в галактике действительно есть множество разных туманностей. Но в 1914 г. американский астроном Весто Мелвин Слайфер заметил, что некоторые из них слишком удалены от нас. Измеряя красное смещение до предполагаемых «туманностей», ученые поняли, что они двигаются с довольно большими скоростями. Впоследствии астроном Эдвин Хаббл догадался, что это не туманности, а другие галактики, находящиеся далеко за пределами Млечного Пути.

В частности, было обнаружено, что Андромеда, считавшаяся тогда туманностью, на самом деле — довольно большая галактика, которая движется навстречу Млечному Пути со скоростью порядка 120 км/с. И когда ученые осознали, что это ближайшая к нам галактика, стало понятно, что Андромеда и Млечный Путь гравитационно связаны. Предполагается, что рано или поздно обе галактики подойдут друг к другу настолько близко, что, скорее всего, столкнутся.

Движение более отдаленных галактик уже не так очевидно. За время существования человеческой цивилизации увидеть их реальное движение чрезвычайно сложно. Тем не менее мы точно знаем, что они двигаются. Используя эффект Доплера, ученые измеряют скорости этих галактик. Помимо собственной скорости движения по космическому пространству, у них есть еще и хаббловская скорость, измеряющаяся по космологическому красному смещению в спектрах этих галактик. В результате хаббловского расширения Вселенной галактики удаляются друг от друга, что также подтверждается измерениями.

Вселенная очень нестатична, в ней реализуется огромное количество всевозможных видов движения. Двигается все — звезды, галактики и даже скопления галактик. При этом скорость движения по космическому пространству мы можем определять с помощью реликтового излучения, однородно и равномерно заполняющего Вселенную. Например, мы смогли относительно него определить скорость движения нашей собственной галактики по пространству, и она составила около 600 км/с.

— Довольно большая скорость.

— Да. Но по сравнению с хаббловскими скоростями далеких галактик в расширяющейся Вселенной, то есть релятивистскими скоростями, измеряемых в скорости света, эта скорость довольно маленькая.

— О слиянии Млечного Пути и Андромеды поговорим чуть позже. В целом как часто происходят слияния галактик во Вселенной?

— Это зависит от времени наблюдения Вселенной. Сразу после Большого взрыва материя Вселенной была распределена однородно. По мере нарастания гравитационных неустойчивостей начали формироваться звезды и галактики, и только с этого момента у них появилась возможность сливаться. При этом, поскольку в эти далекие времена размеры Вселенной и расстояния между объектами были намного меньше, чем сейчас, скорость слияния начинающих формироваться галактик была больше, чем современная. И если мы, наоборот, посмотрим в будущее, то при нынешних условиях расширяющейся Вселенной удаляющиеся друг от друга галактики будут сливаться все реже и реже.

В целом характерные времена слияния галактик сопоставимы со временем жизни Вселенной (не поняла), то есть это порядка десятков миллиардов лет. Маленькие, карликовые галактики, гравитационно связанные с более крупными, сливаются на масштабах порядка нескольких миллиардов лет. Большие галактики, такие как Андромеда и Млечный Путь, уже вобравшие в себя карликовые, сливаются реже — на масштабах порядка 10 млрд лет. То есть в прошлом слияние галактик происходило чаще.

Дело в том, что «слияние галактик» — это условный термин, поскольку при первом столкновении слияния может и не произойти. Иногда галактики, не сливаясь, проходят друг через друга, потому что они — все-таки очень разреженные системы. Расстояние между звездами в галактиках по сравнению с размерами самих звезд огромно. Поэтому часто галактики могут проходить друг через друга без столкновений по отношению к звездам и планетам. Но все-таки приливные гравитационные силы искажают формы галактик, а газ и пыль, присутствующие в галактиках, цепляются друг за друга, что в итоге и приводит к слиянию в одну большую галактику.

— Существуют ли модели, предсказывающие, как происходит это столкновение? И насколько разрушительным может быть слияние для двух галактик?

— Да, такие модели существуют. С появлением мощных суперкомпьютеров ученые научились моделировать подобные явления. На самом деле изображения, полученные с помощью телескопов, фиксируют лишь статичные моменты процессов приближения галактик друг к другу, их слияния и разрушения. Но чтобы понимать, что происходит во время слияния, как движутся галактики относительно друг друга, нужны вычисления, которые не выполнить на обычном компьютере.

— Что известно сегодня о будущем слиянии Млечного Пути и Андромеды?

— Напомню, что Андромеда и Млечный Путь — это две крупнейшие галактики местной группы, которые находятся в гравитационной связи друг с другом и связывают огромное количество спутниковых карликовых галактик. В начале прошлого века ученые вычислили скорость движения Андромеды в сторону Млечного Пути с помощью синего смещения в эффекте Доплера. Зная скорость и расстояние до Андромеды (приблизительно 2,5 млн световых лет), можно оценить, когда две галактики подойдут настолько близко друг к другу, что гравитационное взаимодействие начнет влиять на каждую из них. С этого момента и начнется процесс слияния галактик. По оценкам ученых, это произойдет приблизительно через 4 млрд лет.

Существуют разные мнения о том, как будет выглядеть слияние Млечного Пути и Андромеды. Предполагается, что оно произойдет практически без столкновений для звезд и планет двух галактик. А гравитационное приливное разрушение галактических дисков приведет к образованию гигантской эллиптической галактики. Считается, что именно при слиянии спиральных галактик сформировались эллиптические галактики. И расчеты на суперкомпьютерах показывают, что это один из наиболее вероятных сценариев для Андромеды и Млечного Пути.

Как я уже говорил, для большинства звезд слияние произойдет незаметно. Лобовое столкновение в силу их практической точечности на масштабах галактики маловероятно. Тем не менее некоторые звезды, которые будут проходить мимо друг друга на очень близких расстояниях, приобретая большие скорости, могут быть выброшены на периферию или даже за пределы своей галактики.

Один из таких сценариев был рассчитан для нашей Солнечной системы. Однако современные расчеты все-таки сильно зависимы от многих обстоятельств. Задача моделирования таких масштабных процессов чрезвычайно сложна, поэтому никто не может гарантировать, что реализуется тот или иной прогноз. Малейшее изменение начальных условий может радикально изменить результат для отдельной звезды или системы. Хотя для галактик в целом такие расчеты довольно уверенные.

— Известно, что в центре Млечного Пути есть массивная черная дыра, изображение которой было получено совсем недавно. Что происходит с черными дырами во время таких слияний?

— Сегодня большинство ученых сходятся во мнении, что в центре почти каждой галактики находится сверхмассивная черная дыра. Наблюдения за галактиками подтверждают эту теорию. Черная дыра в центре Млечного Пути хоть и сверхмассивная, но не самая большая из такого рода объектов, поскольку ее масса составляет приблизительно около 4 млн масс Солнца, в то время как в активных ядрах других галактик массы сверхмассивных черных дыр могут достигать миллиардов масс Солнца, то есть быть в 1 тыс. раз более массивными, чем в центре нашей галактики.

При лобовом столкновении Млечного Пути и Андромеды сверхмассивные черные дыры также могут слиться, излучая гравитационные волны. В этом случае произойдет набор массы объединенной сверхмассивной черной дыры.

Возможен также сценарий, при котором столкновение произойдет с большим прицельным параметром. Тогда гравитационный захват образует устойчивую орбиту из двух вращающихся черных дыр, которые будут вращаться очень долго. И такие двойные черные дыры в галактиках могут существовать.

— Что нам дает изучение процесса слияния галактик?

— Исследования этого процесса имеют фундаментальный характер. И прежде всего они позволяют лучше понимать особенности формирования самих галактик. Ведь слияние галактик — это один из важнейших аспектов изменения галактической структуры и набора их массы, а значит, и изменения их классификации. Спиральные и линзовидные галактики становятся эллиптическими. При этом слияние галактик инициирует один из важнейших процессов — звездообразование. Так, в ранних галактиках процессы звездообразования идут достаточно активно. Но потом они затухают, идут с меньшей скоростью, как, например, сейчас в Млечном Пути. Поэтому любое внешнее воздействие, в том числе слияние, приводит к тому, что появляется новый газ — материал для рождения новых звезд. Из-за возмущения структуры галактики облака межзвездного газа теряют устойчивость и происходят вспышки звездообразования. Эти вспышки в свою очередь меняют химический состав галактик.

— С помощью какой аппаратуры ученые изучают слияния и эволюцию галактик?

— Бóльшую часть информации астрономам предоставляют, конечно же, телескопы. Сегодня они приобретают различные очертания. Прежде всего, это оптические телескопы, появившиеся еще во времена Галилея. Основную часть информации о галактиках мы получили с помощью оптических телескопов.

Не менее важны для исследования орбитальные телескопы, как, например, «Хаббл» и «Уэбб». Атмосфера Земли искажает получаемые изображения. На орбите подобного искажения нет, поэтому «Хаббл» получает очень глубокие и четкие снимки галактик и других космических объектов.

Но, помимо оптического диапазона, галактики активно изучаются в радио- и рентгеновском диапазонах. Рентгеновские обсерватории наблюдают галактики, рентгеновские источники, скопление галактик и активность центров галактик, где имеются квазары.

У современных астрономов и астрофизиков появляется все больше возможностей наблюдения за любыми космическими объектами, в том числе и за галактиками. Благодаря новым данным мы лучше понимаем физику процессов во Вселенной, а также природу происходящего в космических объектах, в том числе в галактиках.

— Правда ли, что слияния галактик — это самые яркие явления во Вселенной? Что дает такую светимость?

— Это не совсем так. Слияния можно назвать одними из самых красивых событий, но все-таки они не самые яркие. Самыми яркими и далекими источниками, которые мы видим, считаются квазары и взрывы сверхновых. При взрыве звезды выделяется гигантское количество энергии. В оптическом диапазоне подобные события можно наблюдать на протяжении нескольких месяцев. А в пике своей светимости, то есть в момент взрыва, светимость сверхновой превышает светимость всех звезд в родительской галактике. Проще говоря, такая звезда порой светит ярче в десятки и сотни раз, чем вся галактика.

— Александр Владимирович, над чем вы работаете сегодня?

— Моя область занятий — это космология, наука о строении и эволюции Вселенной. Но поскольку зарождение галактик, их эволюция и изменения химического состава — это процессы, которые протекают в космологическом времени, все они завязаны и на космологию. Например, изменение химического состава галактик — очень интересная космологическая задача. Определение первичного дейтерия, первичного гелия и первичного лития позволяет нам оценить количество обычной, барионной материи во Вселенной, составляющее, по современным оценкам, лишь 5% от вещества, заполняющего Вселенную, в то время как 95% составляют темная материя и темная энергия, природа которых до сих пор неизвестна.

В первые минуты после Большого взрыва происходил так называемый первичный нуклеосинтез, сформировавший начальный химический и изотопный состав нашей Вселенной. Первичный состав довольно прост: около 90% по числу атомов — водород, 8% по числу атомов — гелий. Все остальные элементы находятся в совершенно ничтожных количествах. Формирование галактик, рождение в них звезд приводит к эволюции химического состава.

Так, в звездах постепенно происходит перегорание водорода и гелия в более тяжелые элементы. Взрываясь, звезды обогащают межзвездную среду. А эволюция галактик приводит к обогащению межгалактического газа. Понимая описанные процессы, мы можем оценивать химический состав, сравнивать его с предсказанием первичного нуклеосинтеза и тем самым определять один из ключевых космологических параметров — барионную плотность Вселенной.

Второй значимый аспект космологии в контексте эволюции галактик связан со скоростью расширения Вселенной. Она расширяется с изменяющейся скоростью. Более того, сейчас мы знаем, что после Большого взрыва скорость расширения Вселенной замедлялась. Но через несколько миллиардов лет после Большого взрыва произошло нечто, что привело к изменениям в динамике расширения Вселенной, и она стала расширяться с ускорением. А это, в свою очередь, влияет и на процесс формирования галактик и их скоплений.

— Что за событие могло привести к ускорению расширения Вселенной?

— Предполагается, что во Вселенной есть некая космическая энергия, темная энергия, как ее сейчас чаще всего называют, которая создает антитяготение. Природа этой формы материи на сегодня пока неизвестна. Слово «материя» довольно условное, ведь это может быть модифицированная гравитация или проявление многомерности нашей Вселенной. Научным сообществом предлагаются различные интересные варианты, которые требуют проверки и подтверждения. По наблюдениям мы точно знаем, что Вселенная расширяется с ускорением, но его причину нам еще предстоит узнать. Это одна из важнейших космологических загадок современности.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.