Спросите Итана №62: самая большая спиральная галактика

Во Вселенной существуют галактики нереального размера, в тысячи раз больше нашей. Но среди них нет ни одной спиральной!

Иногда я сижу в одиночестве под звёздами
и думаю о галактиках внутри моего сердца
и размышляю, захочет ли кто-нибудь
придать всему этому смысл.
Я хочу.
— Тести Мактестерсон

Наблюдая ночное небо из затемнённой местности невооружённым глазом, можно увидеть звёзды, планеты, и даже тусклые кластеры и туманности. Но если найти действительно тёмное безлунное небо, один объект доминирует над всеми остальными по масштабам и размаху: грандиозный Млечный путь!

https://geektimes.ru/post/277526/
Это плоскость нашей галактики, видимая с ребра с нашей точки зрения изнутри неё. Она огромна, содержит сотни миллиардов звёзд, и растянулась на 100 000 световых лет в диаметре. Но что насчёт галактик большего размера? Вряд ли наша такая уж выдающаяся? И на эту тему на текущей неделе был задан вопрос читателем Дугом Ватсом:

Почему нет реально больших галактик? Есть какие-то ограничения, не позволяющие спиральным галактикам стать больше, чем Млечный путь или Андромеда в тысячу или десять тысяч раз?

Оказывается, что Млечный путь – далеко не самая большая из спиральных галактик. Как и Андромеда – крупнейшая галактика в нашем небе по угловому размеру.



Конечно, Андромеда выглядит такой большой в нашем небе из-за комбинации двух факторов:

она и вправду большая! Она содержит порядка триллиона звёзд – то есть в 3-5 раз больше, чем у нас, а её диаметр больше чем в два раза превышает диаметр нашей галактики – он составляет 220 000 световых лет. Это крупнейшая галактика в нашей локальной группе
она близко к нам! Всего лишь в 2,54 миллионов световых лет – это самая близкая к нам большая галактика

Локальная группа не зря так называется – всё, что в неё входит, гравитационно связано с нами. Через несколько миллиардов лет Андромеда, Млечный путь, галактика Треугольника и все другие небольшие галактики сольются вместе в единую гигантскую галактику.

А тип этой галактики, хотите – верьте, хотите – нет, содержит ответ на вопрос читателя.



В результате появится не спиральная галактика, превосходящая нашу, но гигантская эллиптическая! Прежде чем мы перейдём к обсуждению причин этого явления, вспомним, что мы здесь занимается наукой, и рассмотрения парочки изолированных примеров будет недостаточно. Если нам нужно корректно просчитать, что случится с Вселенной, нам нужно принять во внимание весь набор наблюдаемых фактов, и делать выводы из него.

Если мы посмотрим на все галактики Вселенной – и выберем крупнейшие – что мы увидим?



Вот вам интересный пример – на этой картинке есть несколько галактик, и одна из них вполне сравнима с Млечным путём. Это спираль справа — IC 4970, гравитационно взаимодействующая с её гигантским соседом.

Но гигантская галактика с этой картинки, та, что имеет два огромных рукава, простирается ещё дальше, чем картинка показывает. Благодаря ультрафиолетовому свету, наблюдаемому с космического аппарата GALEX, мы знаем, что с точки зрения физических размеров эта галактика крупнейшая спиральная галактика из всех открытых.



Это галактика NGC 6872, 522 000 световых лет в поперечнике. Возможно, существуют спирали и побольше, а эту мы нашли, поскольку она находится от нас на расстоянии «всего лишь» 200 миллионов световых лет. Однако, она гораздо массивнее Млечного пути, Андромеды, и даже их вместе взятых – она гораздо крупнее, и, судя по нашим представлениям, спираль большего размера вряд ли может образоваться.

Но существуют галактики и побольше этой – просто все они эллиптические!



Даже изучив кластер Девы, ближайший большой кластер галактик, мы найдём крупную галактику Messier 87 диаметром в миллион световых лет, содержащую триллионы звёзд, и массой превосходящей нашу в 200 раз.



Галактика на картинке выше — IC 1101, крупнейшая из найденных галактик во Вселенной. Она находится на расстоянии в 1,07 миллиарда световых лет, содержит 100 триллионов звёзд (в 1000 раз больше, чем Млечный путь), масса её составляет 10¹⁵ солнечных, диаметр – 5-6 миллионов световых лет.

Если сравнить её с крупнейшей из известных спиральных галактик, то получится, что у неё:

• почти в 100 раз больше звёзд
• в несколько сотен раз больше масса
• в 10 раз больше диаметр

Так что читатель-то прав!



Во Вселенной можно найти достаточно галактик – обычно в центрах гигантских кластеров – масса которых в сотни и тысячи раз превышает массу Млечного пути, но все они не спиральные. К примеру, огромная и яркая спираль справа внизу на изображении кластера Форнакс (выше) имеет физический размер такой же, как и самые крупные галактики слева вверху, но по массе она не дотягивает даже до Андромеды, а гигантские эллиптические галактики многократно превышают Андромеду по массе.

Так отчего же спиральные галактики проигрывают, начиная с определённого размера? Чтобы понять это, давайте посмотрим симуляцию формирования галактики, с моим описанием этапов развития:

• В ранней Вселенной, вскоре после Большого взрыва, небольшие регионы, которым посчастливилось от рождения содержать больше материи и энергии, чем другим, начинают притягивать больше материи;
• Со временем они притягивают столько материи, что газовые сгустки коллапсируют и начинается формирование звёзд и звёздных кластеров;
• Эти кластеры являются частью большей структуры асимметричной формы, коллапсирующей по самой короткой из осей и формирующей диск;
• Диск обрастает всё новой материей, собирая все ближайшие кластеры, и приобретает спиралевидную форму из-за колебаний плотности;
• Со временем, мелкие и средние кластеры, вливающиеся в него, затягиваются в центр галактики, сохраняя спиральную структуру.

На этом кончается симуляция и эта часть истории. Скорее всего, именно так сформировались Млечный путь, Андромеда и все другие спиральные галактики. Огромное газовое облако сколлапсировало из-за гравитации, превратилось в блин и закрутилось. Волны плотности, возникающие из-за неравномерностей диска, создали спиральную картину, и она осталась таковой, поскольку ни одно катастрофическое событие её не нарушило.

Но тот самый процесс, благодаря которому рождаются крупные галактики – слияние двух или нескольких больших галактик – и способствует разрушению спиральной структуры!



Именно это в основном мы и наблюдаем: изолированные галактики, никогда не участвовавшие в слиянии, имеют форму спирали. Галактики, участвующие в слиянии, очень сильно деформированы и содержат огромные количества формирующихся звёзд. И галактики, которые недавно прошли этот процесс, и где активное звёздообразование уже завершено, успокаиваются, формируя эллиптическую форму.



Если бы мы захотели, чтобы две большие галактики слились и сформировали спиральную, у них должна была бы быть чрезвычайно удачно совпадающая начальная конфигурация (что статистически маловероятно), включающая нужную ориентацию и вращение. И чем больше случится слияний крупных галактик, тем больше у нас шансов уничтожить спиральную структуру и остаться с эллиптической.

Существуют даже несколько галактик, напоминающих гибрид спиралей и эллипсов. Это, как считается, произошло в результате «полукрупного слияния», когда большая галактика сливается с меньшей по размеру, в результате чего создаётся эллиптическая форма, но при этом сохраняется спиральная.



Именно поэтому крупнейшие спиральные галактики во Вселенной не такие уж и большие, и чем более крупные галактики проходят через слияние, тем больше у них шансов стать гигантскими эллиптическими, а не спиральными! Спасибо за прекрасный вопрос, Дуг, и надеюсь, что ответ удовлетворяет твоё любопытство.Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.