Main menu:

Стереотипность структур: два типа звездного населения

В то время как две взаимодействующие посредством гравитации частицы описывают вокруг друг друга эллипсы,Галактика Сомбреро три взаимодействующие частицы могут иметь множество качественно различных видов траекторий. Количество возможных конфигураций системы из 10 гравитирующих частиц трудно вообразить, однако, как обнаружилось, формы галактик не отличаются особым разнообразием. В 1920-1923 гг. Эдвин Хаббл разработал простую схему для классификации галактик. Тот факт, что его схема используется сегодня столь же успешно, как и в первые годы после опубликования, свидетельствует не только об искусстве Хаббла как классификатора, но и о том, что число структурно различных типов галактик невелико.

Рассмотрим эллиптические галактики. Согласно хаббловской классификации, они отличаются друг от друга лишь одним параметром - отношением осей эллипса, вид которого галактики этого типа имеют на небе. Если изображения двух галактик с одинаковым отношением осей привести к одинаковому размеру, то они будут практически неотличимы друг от друга. Но еще более интересно то, что по своему силуэту эллиптические галактики весьма напоминают шаровые звездные скопления и, богатые сфероидальные скопления галактик, подобные скоплению Кома. Как это объяснить? Если система, состоящая из огромного множества взаимодействующих частиц, достаточно долгое время не испытывает никакого внешнего воздействия, то она приходит к простому, стереотипному состоянию. Так, воздух в изолированной комнате приходит к равновесному состоянию с постоянной температурой и плотностью. Аналогично самогравитирующая система, состоящая из большого числа членов, постепенно переходит в состояние, при котором температура (определяемая по средней скорости членов системы) постоянна, а плотность уменьшается от центра к периферии по закону, выведенному впервые в 1882 г. немецким математиком А. Риттером. Центральные области богатой, близкой к сферической системы почти точно описываются этим законом, однако при значительном удалении от центра системы наблюдаемая яркость уменьшается быстрее, чем предсказывает закон Риттера.

При определенном (легко вычисляемом) расстоянии от любой реальной системы приливные силы, действующие на каждый из членов системы извне, становятся сравнимыми по величине с силами притяжения внутри самой системы. Это расстояние называется приливным радиусом. Айван Кинг из Калифорнийского университета в Беркли рассчитал кривые изменения яркости систем, близких к равновесному состоянию, для различных значений приливного радиуса и сравнил эти теоретические кривые с наблюдаемым распределением яркости в звездных скоплениях и эллиптических галактиках. Предсказываемые и наблюдаемые кривые совпадают почти полностью - это означает, что сфероидальные самогравитирующие системы с большим числом членов близки к равновесному состоянию.

Структура равновесных самогравитирующих систем зависит лишь от трех параметров, не считая приливного радиуса: плотности в центре, радиального расстояния от центра, на котором плотность составляет определенную долю (скажем, одну вторую) от плотности в центре, и степени сплюснутости. Эти три параметра сами определяются тремя динамическими величинами: массой, энергией и угловым моментом. В изолированной (в динамическом смысле) системе значения этих трех величин (и, вообще говоря, только этих величин) не изменяются со временем, тогда как внутренняя структура системы может претерпевать изменения. Это означает, что сфероидальные самогравитирующие системы, включающие большое число членов, обязаны своей стереотипной структурой эволюционным процессам, в ходе которых «забывается» информация о промежуточной и начальной структурах системы, кроме той информации, которая «содержится» в сохраняющихся величинах: массе энергии и угловом моменте. В дальнейшем мы увидим, что масса и энергия, вместе взятые, определяют центральную плотность системы и ее диаметр, тогда как степень сплюснутости системы зависит от всех трех величин.

В своем космогоническом трактате «Всеобщая естественная история и теория неба», написанном в 1755 г., Кант указывал, что Солнечная система состоит из двух типов «населения»: населения диска, включающего планеты, движущиеся по орбитам, близким к окружностям, плоскости которых почти совпадают, и населения гало, состоящего из комет, движущихся по вытянутым траекториям, наклоненным под большими углами к плоскости планетных орбит. Кант предполагал, что Галактика также состоит из населения диска и населения гало, причем свойства этих подсистем аналогичны свойствам двух типов населения Солнечной системы. В 1944 г. Вальтер Бааде, астроном из обсерватории Маунт-Вилсон, выдвинул более общую и детальную версию гипотезы Канта. Он предположил, что звездные системы состоят из двух различных типов звездного населения. К населению I типа принадлежит дисковая составляющая спиральных галактик. В нашей Галактике к этому населению относятся Солнце и ближайшие к нему звезды. Наиболее типичными представителями этого типа населения являются: голубые горячие звезды (сверхгиганты); цефеиды (разновидность переменных звезд, о которой мы вскоре будем говорить особо) с периодом, превышающим одни сутки; звездные скопления, подобные Плеядам и Гиадам; межзвездный газ и пыль. Эти объекты обладают одинаковыми статистическими свойствами во всех спиральных галактиках.

Звезды, входящие в состав эллиптических галактик и в сфероидальную составляющую спиральных галактик, относятся к населению II типа. Эллиптические галактики почти в чистом виде представляют собой население II типа, тогда как спиральные галактики объединяют население двух типов: в диске преобладает население I типа, а в центральном сгущении (балдже) и гало - население II типа.

Смелое предположение Бааде было впоследствии убедительно подтверждено результатами наблюдений. Стало ясно, что звездные системы имеют две основные стереотипные структуры: сфероидальную и дисковую. Далее мы остановимся на некоторых наиболее фундаментальных физических принципах, которые помогут нам понять причину этого явления.