Вращение галактик [Артур Давидович Чернин] (pdf) читать онлайн

Новое
в ЖИЗНИ)
науке,
технике

НОВОЕ В ЖИЗНИ, НАУКЕ, ТЕХНИКЕ
ПОДПИСНАЯ

НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ СЕРИЯ

КОСМОНАВТИКА,
АСТРОНОМИЯ
3/1990
Издается ежемесячно с 197! г.

ВРАЩЕНИЕ
ГАЛАКТИК
В приложении этого номера:
АСТРОФИЗИЧЕСКАЯ
КОСМИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ
«ГРАНАТ»
СССР. МЕЖДУНАРОДНОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО
В КОСМОСЕ (ГОД 1989)

Издательство «Знание» Москва 1990

ББК 22.67
449
Редактор ВИРКО И Г.

4-19

Чернин Л. Д.
Вращение галактик. — М.: Знание, 1990. — 64 с.,
ил. — (Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Кос­
монавтика, астрономия»; № 3).
15В\ 5-07-001246-0
15 к.
Брошюра посвящена современному состоянию проблемы галак­
тик
главных элементов структуры Вселенной Рассказь шется о
строении галактик, их кинематике, динамике, обсуждаются гипотезы
их происхождения. Основное внимание уделяется представлениям о
природе галактического вращения.
Брошюра рассчитана на широкий круг читателей, интересующих­
ся актуальными проблемами познания Вселенной.

1605060000

18ВК1 5-07-001246-0

ББК 22.67

© Чернин А. Д.. 1990 г.

Памяти академика
Якова Борисовича ЗЕЛЬДОВИЧА
посвящается

ПРЕДИСЛОВИЕ

Планета, на которой мы живем, вращается вокруг
своей оси, задавая сменой! дня и ночи естественный ритм
и теми всей нашей жизни. Земля обращается также и
вокруг Солнца по своей орбите, и это приводит к смене
времен года. Вместе с Землей, Солнцем и всей Солнеч­
ной системой мы совершаем в мировом пространстве
еще и третье круговое движение — обращение с перио­
дом 180 млн. наших земных лет. Радиус круга, очерчи­
ваемого в этом движении, составляет приблизительно
.10 тыс. световых лет (т. с. 3- 1016 км). Внутри круга на­
ходится огромное множество .звезд, подобных нашему
Солнцу, и все они тоже вращаются в ту же сторону, что
п Солнце, вокруг того же центра. Эти звезды — а их
насчитывается до 200 млрд. — образуют гигантскую
звездную систему — Галактику, наблюдаемую нами на
небе в виде светящейся полосы Млечного Пути. Если бы
мы могли взглянуть иа нее со стороны и издалека, она
представилась бы нам могучим космическим вихрем.
Скорость вращения Галактики составляет на орбите
Солнца 220 км/с — это самое быстрое вращательное
движение, в котором мы участвуем. (Напомним, что ско­
рость собственного вращения Земли 0,5 км/с на эквато­
ре, а скорость ее обращения вокруг Солнца 30 км/с.)
Галактика —- нс единственная звездная система во
Вселенной. В пределах объема, доступного современным
астрономическим наблюдениям, содержатся сотни мил­
лиардов других галактик, похожих и не похожих на
нашу. Все они обладают вращением, причем в большин­
стве своем весьма быстрым, часто столь же быстрым,
как п у Галактики. Ближайший к нам гигантский кос­
мический вихрь — знаменитая туманность Андромеды,
которая своими размерами и скоростью вращения даже
превосходит Галактику. Мир галактик — это мир бы­
стрых вращательных движений.
Как устроены галактики? Каково их место во Все­
ленной? Как и когда они возникли? Откуда взялось их
вращение?
Изучение этих проблем в последние четверть века в
советской и мировой науке проходило под большим
3

влиянием и с самым активным участием Якова Борисо­
вича Зельдовича (1914—1987). Ему принадлежит очень
значительный вклад в науку о происхождении космиче­
ских структур. Выдвинутые им астрофизические идеи
развиваются сейчас многими и многими исслсдоватсляим в разных странах. Научное творчество Я. Б. Зель­
довича — вдохновляющий и плодотворный пример сме­
лого и энергичного теоретического поиска в самых фун­
даментальных областях современной науки.
ВСЕЛЕННАЯ — (МИР ГАЛАКТИК

В древнеиндийской «Книге гимнов» («Ригведе») мож­
но найти описание — одно из самых первых в истории
человечества — всей Вселенной как единого целого. Со­
гласно «Ригведе» она устроена не слишком сложно.
Прежде всего в ней имеется Земля. Она представляется
безграничной плоской поверхностью — «обширным про­
странством». Эта поверхность покрыта сверху небом.
А небо — это голубой, усеянный звездами «свод».
Между небом и землей — «светящийся воздух . Очень
похожи на эту картину и ранние представления о нашем
мире у древних греков и римлян — тоже плоская земля
под куполом неба.
От науки это еще очень далеко. Но важно другое.
Замечательна и грандиозна сама дерзкая цель — объять
мыслью всю Вселенную. Отсюда берет истоки уверен­
ность в том, что человеческий разум способен осмыс­
лить, понять, воссоздать в своем воображении полную
картину мира.
Научная картина мира складывалась по мер тою,
как шло накопление важнейших знаний о Земле. Солн­
це, Луне, планетах, звездах.
Картина мира. Еще в VI в. до и. э. великий матема­
тик и филосф древности Пифагор учил, что Земля ша­
рообразна. Доказательством этому служит, например,
круглая тень от нашей планеты, падающая на . 1уну во
время лунных затмений. Другой великий ученый ангин­
ного мира Аристотель и всю Вселенную считал шаро­
образной, сферической. На эту мысль наводил не только
округлый вид небосвода, но и круговые суточные движе­
ния светил на небосводе. В центре своей картины Все­
ленной Аристотель помещает Землю. Вокруг нее распо4

латаются Солнце, Луна и известные тогда пять планет.
Каждому из этих тел соответствовала своя сфера, обра­
щающаяся вокруг нашей планеты. Тело «прикреплено» к
своей сфере и поэтому тоже движется вокруг Земли. Са­
мой удаленной сферой, охватывающей все остальные,
считалась восьмая, к которой «прикреплены» звезды.
Опа тоже обращается вокруг Земли в соответствии с
наблюдаемым суточным движением неба. Аристотель
учил, что небесные тела, как и их сферы, сделаны из
особого «небесного» материала — эфира, который не
имеет свойств тяжести или легкости и совершает вечное
круговое движение в мировом пространстве.
Такая картина мира царила в умах людей на про­
тяжении двух тысячелетий — вплоть до эпохи Копер­
ника. Замечательное ее усовершенствование осуществил
во II в. нашей эры Птолемей, знаменитый астроном и
географ, живший в Александрии. Он дал подробную ма­
тематическую теорию движения планет. Птолемей мог
очень точно вычислять видимые положения светил — где
они находятся сейчас, где были раньше и где окажутся
потом. Правда, для воспроизведения всех тонких дета­
лей движения планет по небу' пяти сфер оказалось не­
достаточно. К ним пришлое!, добавить новые, да и преж­
ние перестроить. У Птолемея каждая планета участвует
в нескольких круговых движениях, а их сложение и дает
видимое перемещение планет по небу.
Книга Коперника, вышедшая в год его смерти (1543),
носила скромное название «Об обращениях небесных
сфер . Но это было полное ниспровержение аристотеле­
ва взгляда на мир. Сложная картина полых прозрач­
ных — «хрустальных» — сфер отошла в прошлое. С это­
го времени началась новая эпоха в изучении и понима­
нии Вселенной. Продолжается она и поныне. Благодаря
Копернику мы узнали, что Солнце занимает надлежащее
ему положение в центре планетной системы. Земля же—
никакой не центр мира, а одна из рядовых планет, обра­
щающихся вокруг Солнца. Так все стало на свои места.
Строение Солнечной системы было, наконец, разга­
дано.
Но Солнечная система — еще не вся Вселенная. Есть
ведь еще и далекие звезды. О них Коперник не риско­
вал высказывать никакого определенного мнения. Он
просто оставил их на прежнем месте, на дальней сфе­
ре, где они были у Аристотеля, и лишь говорил (и соо

вершснно правильно), что расстояния до звезд во мно­
жество раз больше размеров планетных орбит. Как и
античные ученые, он представил Вселенную замкнутым
пространством, ограниченным этой сферой.
Мир звезд. В ясную безлунную ночь человек с ост­
рым зрением увидит на небосводе пе более двух-трех
тысяч мерцающих точек. В списке, составленном во
II в. до н. э. древнегреческим астрономом Гиппархом и
дополненном позднее Птолемеем, значится 1022 звезды.
I евелпй же, последний астроном, производивший такие
подсчеты без помощи телескопа, довел их число до
1533.
Ио уже в древности подозревали о существовании
большого числа звезд, не видимых глазом. Демокрит го­
вори.!, что белесоватая полоса, протянувшаяся через где
небо, которую мы называем Млечным Путем, есть в дей­
ствительности соединение света множества невидимых
по отдельности звезд. Споры о строении Млечного Пути
продолжались веками. Решение — в пользу догадки Де­
мокрита — пришло в 1610 г., когда Галилей сообщи.! о
первых открытиях, сделанных на небе с помощью теле­
скопа. Он писал с понятным волнением и гордостью, что
теперь удалось «сделать доступными глазу звезды, ко­
торые раньше никогда не были видимыми п число ко­
торых по меньшей мере в десять раз больиг. числа
звезд, известных издревле».
Еще до открытия Галилея была высказана совершен­
но неожиданная по тем временам и замечательно сме­
лая мысль. Она принадлежит Джордано Бруно. Он вы­
двинул идею о том, что наше Солнце — это одна из
звезд Вселенной. Всего только одна из великого множе­
ства, а не центр всей Вселенной. Но тогда и любая .'.ру­
гая звезда тоже вполне может обладать своей собствен­
ной планетной системой. Если Коперник укаюл место
Земле отнюдь нс в центре мира, то Бруно и Солнце
лишил этой привилегии.
Идея Бруно породила немало поразительных следст­
вий. Из нее вытекала оценка расстояний до звезд. Дей­
ствительно, Солнце — это звезда, как и другие, по толь­
ко самая близкая к нам. Поэтому-то оно такое большое
и яркое. А на какое расстояние нужно отодвинуть на­
ше дневное светило, чтобы оно выглядело так. как, на­
пример, звезда Сириус? Ответ на этот вопрос дал гол­

ландский астроном Гюйгенс (1629—1695). Он сравнил
блеск этих двух небесных тел, и вот что оказалось: Си­
риус находится от нас в сотни раз дальше, чем Солнце.
Конечно, разные звезды отличаются друг от друга
(это учтено в современной оценке расстояния до Сириу­
са). Замечательная идея Бруно и основанный на ней
расчет Гюйгенса стали решительным шагом вперед. Бла­
годаря этому границы наших знаний о мире сильно раз­
двинулись, они вышли за пределы Солнечной системы и
достигли звезд.
Млечный Путь. С XVII в. важнейшей целью астро­
номов стало изучение Млечного Пути — этого гигантско­
го собрания звезд, которые Галилей увидел в свой теле­
скоп. Усилия многих поколений астрономов-наблюдате­
лей были нацелены па то, чтобы узнать, каково полное чис­
ло звезд Млечного Пути, определить его действительную
форм)' и границы, оцепить размеры. Лишь в XIX в. уда­
лось попять, что это единая система, заключающая в
себе все видимые (и невидимые) глазом звезды. На рав­
ных правах со всеми входит в эту систему и наше Солн­
це, а с ним Земля и планеты. Причем располагаются
они далеко не в ее центре, а на окраине.
Потребовались еще многие десятилетия тщательных
наблюдений и теоретических расчетов, прежде чем пе­
ред астрономами раскрылось во всей полноте строение
I алактики. Так стали называть звездную систему, кото­
рую мы видим — конечно, изнутри — как полосу Млеч­
ного Пути. (Слово «галактика» образовано из новогре­
ческого «галактос», что значит «млечный»).
Оказалось, что Галактика имеет довольно правиль­
ное строение и форму, несмотря на видимую клочковатость Млечного Пути, на беспорядочность, с которой, как
кажется, рассеяны звезды по небу. Опа состоит из дис­
ка, гало и короны. Диск представляет собой как бы две
сложенные краями тарелки. Он образован звездами, ко­
торые внутри этого объема движутся но почти круговым
орбитам вокруг центра Галактики.
Диаметр диска измерен — он составляет приблизи­
тельно сто тысяч световых лет. А число звезд в диске
приблизительно сто миллиардов.
В гало содержится сравнимое с этим число звезд.
Они заполняют слегка сплюснутый сферический объем
и движутся не по круговым, а по сильно вытянутым ор­
битам. Плоскости этих орбит проходят через центр Га­
7

лактики. По разным направлениям они распределены
более или менее равномерно.
Диск и окружающее его гало погружены в корону.
Если радиусы диска и гало сравнимы между собой по
величине, то радиус короны в пять, а может, и в десять
раз больше. Почему «может быть»? Потому, что она не­
видима — из нее не исходит никакого света. Как же
узнали тогда о ней астрономы?
Корона. О короне узнали не по свету, а но созда­
ваемому ею тяготению. Наблюдая за движением види­
мых звезд, излучающих радиоволны облаков газа, аст­
рономы заметили, что на них, кроме диска и гало, дей­
ствует и что-то еще. Детальное изучение позволило в
конце концов обнаружить корону, которая создает до­
полнительное тяготение. Она оказалась очень массив­
ной — в несколько раз больше массы всех звезд, вхо­
дящих в диск и гало. Таковы сведения, полученные со­
ветским астрономом Я. Эйнасто и его сотрудниками в
Тартуской обсерватории.
Конечно, изучать невидимую корону очень трудно.
Из-за этого и не слишком точны пока оценки ее разме­
ров и массы. Но главная загадка в другом — мы не
знаем, из чего она состоит. Мы не знаем, есть ли в ней
звезды, пусть даже и какие-то необычные, почти совсем
не излучающие свет. Сейчас многие предполагают, что
ее масса складывается вовсе нс из звезд, а из, напри­
мер, нейтрино. Эти частицы известны физикам уже дав­
но, но и сами по себе они тоже в значительной степени
остаются загадочными. Мы о них не знаем, ложно ска­
зать, самого главного — есть ли у них масса покоя пли
нет. Нейтрино могли бы служить материалом для коро­
ны лишь в том случае, если у них эта масса покоя
есть.
Легко представить себе, с каким нетерпением ожи­
дают астрономы вестей из физических лабораторий, где
ставятся сейчас специальные эксперименты, чтобы вы­
яснить, есть ли у нейтрино масса покоя или нет.
Мир галактик. К началу нашего века границы Все­
ленной раздвинулись настолько, .что включили в себя
всю Галактику. Многие думали тогда, что эта огромная
звездная система и есть Вселенная в целом. Но вот
в 20-е годы были построены крупные телескопы, и перед
астрономами открылись совершенно новые горизонты.
8

Оказалось, что-за пределами Галактики мир не кончает­
ся. Миллиарды звездных систем, галактик, похожих на
нашу и отличающихся от псе, рассеяны по просторам
Вселенной.
Если бы мы могли увидеть нашу Галактику извне и
издалека, мы не увидели бы ни диска, ни гало, ни, есте­
ственно, короны. С больших расстояний были бы видны
лишь самые яркие звезды. Л все они, как выяснилось, со­
браны в широкие полосы, которые дугами выходят из
центральной области Галактики. Ярчайшие звезды обра­
зуют ее спиральный узор. Только этот узор и был бы
различим издалека. Паша Галактика на снимке, сделан­
ном астрономом из другой галактики, выглядела бы
очень похожей на туманность Андромеды.
Большинсчво галактик (а может быть, и почти все)
собраны в различные «коллективы», которые называют
группами, скоплениями и сверхскоплениями. В группу
может входить всего 3 или 4 галактики, а в сверхскопленпс — до тысячи пли даже нескольких десятков ты­
сяч. Наша Галактика, туманность Андромеды и еще бо­
лее тысячи таких же объектов входят в так называемое
Местное сверхскопление. Оно не имеет четко очерчен­
ной формы и в целом выглядит довольно уплощенным.
I1риблизительио так же «устроены» и другие сверхскопления, лежащие далеко от нас.
До недавнего времени астрономы полагали, что эти
объекты самые крупные образования во Вселенной и что
какие-либо еще большие системы просто отсутствуют.
Сравнительно недавно выяснилось, что это нс так.
Несколько лет назад астрономы составили удивитель­
ную карту' Вселенной. На ней каждая галактика пред­
ставлена всего лишь точкой. На первый взгляд они рас­
сеяны па карте хаотично. Если же приглядеться вни­
мательно, то можно обнаружить группы, скопления и
сверхскопления, которые выглядят как бы цепочками
точек. Эта карта позволяет обнаружить, что некоторые
цепочки соединяются и пересекаются, образуя ячеи­
стый узор, напоминающий кружева или, может быть,
пчелиные соты с размерами ячеек в 100—300 млн. све­
товых лет.
Покрывают ли такие «сетки» всю Вселенную, еще
предстоит выяснить. Но несколько отдельных ячеек,
очерченных сверхскопленпями, удалось подробно изу9

чить. Внутри них галактик почти нет, все они собраны
в «стенки» ячеек.
Ячейка — это предварительное, рабочее название для
самого крупного образования во Вселенной. Более круп­
ных систем в природе нет. Это показывает карта Все­
ленной. о которой мы говорили. Астрономия достигла,
наконец, завершения одной из самый грандиозных своих
задач: вся последовательность пли, как еще говорят,
иерархия астрономических тел и систем теперь целиком
известна.
Вселенная. Самым большим по масштабу объектом
науки является Вселенная, охватывающая и включа­
ющая в себя все планеты, звезды, галактики, скопления,
сверхскопления и ячейки. Дальность действия современ­
ных телескопов достигает нескольких миллиардов свето­
вых лет. Это и есть размер видимой Вселенной.
Планеты, звезды, галактики поражают удивительным
разнообразием своих свойств, сложностью строения.
А каково устройство всей Вселенной, Вселенной как це­
лого? Оказывается, опа в высшей степени однообразна
и проста. Ее главное свойство — однородность. Об этом
нужно сказать точнее. Представим себе, что мы мыслен­
но выделили во Вселенной очень большой кубический
объем с ребром, скажем, в пятьсот миллионов световых
лет. Подсчитаем, сколько в нем галактик. Произведем
такие же подсчеты для других, но столь же крупных
объемов, расположенных в различных частях Вселенной.
Если все это проделать и сравнить результаты, то ока­
жется, что в каждом из таких объемов, где бы его ни
брать, содержится одинаковое число галактик. То же
самое будет и при подсчете скоплений или даже ячеек.
Итак, если отвлечься от таких «деталей», как галак­
тики, скопления, сверхскопления, ячейки, и взглянуть на
Вселенную шире, охватив взглядом сразу все множество
звездных миров, то она предстанет перед нами всюду
одинаковой — «сплошной» и однородной.
Нужно сказать, что об этом так или иначе уже
очень давно подозревали. Указывая из соображении
максимальной простоты устройства на общую однород­
ность мира, замечательный мыслитель Паскаль (1623—
1662) говорил, что мир — это круг, центр которого вез­
де, а окружность нигде. Так с помощью наглядного гео­
метрического образа он иллюстрировал однородность
мира.
10

В однородном мире вес «места», можно сказать, рав­
ноправны и любое из них может претендовать на то,
что оно центр мира. А если так, то, значит, никакого
центра мира вовсе нс существует.
Во все времена люди предпочитали считать Вселен­
ную вечной и неизменной. Эта точка зрения господство­
вала вплоть до 20-х годов нашего века. В то время счи­
талось, что она ограничена размерами нашей Галакти­
ки. И хотя отдельные звезды Млечного Пути могут рож­
даться и умирать, Галактика все равно остается все той
же — как неизменным остается лес, в котором поколе­
ние за поколением сменяются деревья.
Настоящий переворот в науке о Вселенной произве­
ли в 1922- 1924 гг. работы ленинградского математика
и физика А. А. Фридмана. Опираясь на только что соз­
данную тогда общую теорию относительности, он мате­
матически доказал, что мир — это не нечто застывшее
и неизменное. Как единое целое он изменяется во вре­
мени, расширяясь пли сжимаясь по строго определен­
ным законам.
Фридман открыл подвижность, динамику Вселенной.
Эго было общее теоретическое предсказание, а выбор
между расширением и сжатием нужно было сделать на
основании астрономических наблюдений. Такие наблю­
дения в 1928—1929 гг. удалось проделать Хабблу. Он
обнаружил, что далекие галактики и целые их коллек­
тивы движутся, удаляясь от нас во все стороны. Но так
и должно выглядеть — в соответствии с предсказаниями
Фридмана — общее расширение Вселенной.
Конечно, это не означает, что галактики разбегаются
именно от пас. Общее расширение Вселенной происхо­
дит так, что все они удаляются друг от друга, и из лю­
бого места картина этого разбегания выглядит так, как
мы видим се с нашей планеты.
Если Вселенная расширяется, то, значит, в далеком
прошлом скопления и сверхскопления были ближе друг
к другу. Более того, из теории Фридмана следует, что
15—20 млрд, лет назад ни звезд, ни галактик еще не
было, и все вещество было перемешано и сжато до ко­
лоссальной плотности. Из такого особого состояния и
началось общее расширение, которое привело со време­
нем к образованию Вселенной, какой мы видим и знаем
ее сейчас.
1г

ГАЛАКТИЧЕСКОЕ ВРАЩЕНИЕ

Диск и гало. Идея о двух подсистемах нашей I алактикп — диске и гало, различающихся как геометриче­
ской формой, так и кинематикой звезд, была выдвину­
та в 1921 г. шведским астрономом Б. Линдбладом. Ос­
нованием для нее послужили данные о движении в про­
странстве близких к Солнцу звезд. Было известно, что
небольшое число звезд имеют довольно значительные
скорости — до 50—80 км/с, тогда как другие звезды
движутся медленнее — со скоростями, которые раз в
5—6 меньше. К тому же «медленные» звезды как бы
разделены на два встречных потока. Эти «медленные»
звезды Линдблад отнес к диску Галактики, заметив,
что наблюдаемые скорости звезд — это скорости по от­
ношению к Солнцу, которое тоже находится в диске и
движется вместе с ними. Если близкие к Солнцу звезды
диска совершают совместное с ним вращение в одну сто­
рону вокруг центра Галактики, то их скорости ио отно­
шению к Солнцу и не должны быть большими. Что же
касается звезд, которые представляются нам «быстры­
ми..-. то это те звезды, которые в своей совокупности ли­
бо вовсе не участвуют во вращении вокруг центра 1алактики. либо вращаются, ио с заметно меньшей ско­
ростью. Тогда их скорость по отношению к Солнцу дол­
жна представляться не малой; ее направленно должно
быть в таком случае перпендикулярным к направлению
на галактический центр.
Соображения Линдблада получили в 192/ г. пря­
мое доказательство в детальных и систематических на­
блюдениях скоростей звезд в окрестности Солнца. Эту
работе провел голландский астроном Ян Оорт.
Хотя диск и вращается как целое вокруг галакгического центра, все же его вращение довольно своеобраз­
но. Оно не похоже, например, на вращение грамофонной пластинки. Угловая скорость и период обращения
вокрхт центра пластинки одинаковы для всех ее точек,
а расстояние между точками, очевидно, нс меняется при
вращении. О таком вращении говорят как о твердотель­
ном — действительно, так вращаются твердые тела. Вра­
щение же галактического диска не является твердотель­
ным: угловая скорость и период обращения вокруг цент­
ра зависят от радиуса галактической орбиты звезды,
т. е. от ее расстояния до центра. Из-за этого, в частно12

сти, возникают относительные движения звезд диска, а
расстояния между его «точками» (т. е. звездами), вооб­
ще говоря, изменяются при вращении.
Хорошо известный пример дифференциального вра­
щения — вращение нашей планетной системы вокруг
Солнца: планеты вращаются в одну сторону, так что
имеется вращательное движение, общее для всех пла­
нет, но угловая скорость (а с ней и период обращения)
зависит от радиуса орбиты планеты. Хотя полного по­
добия здесь и нет, но вращение диска Галактики очень
похоже — своим дифференциальным характером — на
вращение планетной системы. Дальнейшие исследования
показали, что в районе Солнца галактический диск вра­
щается со скоростью 220 км/с. Период вращения Солн­
ца и других звезд, лежащих на том же расстоянии от
центра Галактики, оказался равным приблизительно
180 млн. лет. Это галактический год, как его принято
называть.
Линейная скорость вращения галактического диска
в ее зависимости от расстояния до центра Галактики по­
казана на рис. 1. Эту графическую зависимость астро­
номы называют кривой вращения Галактики. Она пред­
ставляет собой результат многочисленных астрономиче­
ских измерений, проведенных как по наблюдениям звезд,
так п по наблюдениям межзвездной среды (облаков ней­
трального водорода) в диске Галактики. Начальная
часть кривой, относящаяся к области до 3—I кпк, уста­
новлена пока не очень уверенно. Та часть кривой вра­
щения, которая лежит за границей диска Галактики, от­
носится уже нс к звездам, а к газовым облакам и кар­
ликовым галактикам — спутникам нашей Галактики.
Эти астрономические объекты находятся в области га13

.тактической короны. Особый характер их движения, от­
ражаемый плоским участком кривой вращения, и послу­
жил в свое время указанием па наличие обширной коро­
ны Галактики. Если бы короны не существовало, то ско­
рости этих спутников Галактики уменьшались бы с рас­
стоянием от ее центра (по закону Кеплера — как и в
случае планет, вращающихся вокруг Солнца). 1о об­
стоятельство, что эти скорости одинаковы на разных
расстояниях, позволяет установить не только сам факт
существования галактической короны, но и найти, как
распределяется ее масса; оказывается, что плотность
короны убывает с расстоянием ио закону обратного,
квадрата.
Было бы интересно иметь что-то подобное кривой
вращения и для гало Галактики. Однако данных о кине­
матике гало все еще слишком мало. Надежно .1111111, из­
вестно, что его общее вращение, во всяком случае, за­
метно медленнее вращения диска, и в районе Солнца
линейная скорость вращения гало в 5—6 раз меньше
скорости вращения диска (ср. со сказанным выше о ■ бы­
стрых» звездах — это звезды гало).
Еще интереснее, очевидно, было бы узнать, враща­
ется ли корона Галактики, и если вращается, то каким
образом и как быстро, — ведь на корону, как сегодня
считается, приходится почти 90% полной массы Галак­
тики. Однако никаких непосредственных наблюдатель­
ных сведений о вращательных свойствах короны до сих
пор нет; это и не так удивительно, если вспомнить, что.
корона невидима.
Динамика Галактики. От кинематики диска и гало.
Галактики перейдем к их динамике. Динамика должна
указать нам на силы, управляющие движениями звезд.
Она способна также объяснить связи, существующие
между распределением массы, формой подсистем Галак­
тики и особенностями их движения, прежде всего вра­
щения. Ключом к динамике Галактики служит закон
всемирного тяготения Ньютона.
Солнце и любую другую звезду удерживает на ее ор­
бите в диске Галактики сила тяготения: эта сила «за­
ворачивает» траекторию звезды вокруг центра диска, нс.
дает ей быть прямолинейной, какой она была бы при.
отсутствии сил. Без такой силы звезды Галактики просто.
14

разлетелись бы ио все стороны. Они движутся в огра­
ниченном объеме только потому, что притягиваются друг
к другу.
Как в кинематике, так и в динамике Галактики есть
немало похожего на картину движений в Солнечной си­
стеме. Планеты движутся по (почти) круговым орбитам
вокруг Солнца, так как Солнце своим тяготением притя­
гивает их к себе. Тяготение Солнца — главная причина
вращательного движения планет: оно создаст их уско­
рение, которое — по закону Ньютона — пропорциональ­
но массе Солнца и обратно пропорционально квадрату
расстояния до него: а—0М1г'1. Здесь 6 = 7-10~8 г_|-с-2• см3 — постоянная тяготения Ньютона, одинаковая для
всех тел в природе.
Если планета движется по круговой орбите радиуса
г с линейной скоростью V, то соответствующее центро­
стремительное ускорение, равное по величине отноше­
нию у2/г, в точности равно ускорению силы тяжести, соз­
даваемой Солнцем: V'2|^=^М|^2.

Отсюда легко найти скорость кругового движения
планеты по ее орбите: о = У СМ1г .
Эта формула имеет универсальный вид и приложима
к самым разным объектам природы. Если, например,
вместо массы Солнца подставить в нее массу Земли, она
будет давать скорость движения любого спутника Зем­
ли по круговой орбите. Формула точно такого вида при­
менима и к движениям звезд в диске Галактики. Прав­
да, в Галактике нет такого основного по массе централь­
ного тела, как Солнце в Солнечной системе, но это не
очень затрудняет дело: просто в качестве массы нужно
в нашу формулу подставлять в этом случае полную мас­
су всех звезд, находящихся внутри орбиты данного ра­
диуса. Если, например, мы интересуемся динамикой
Солнца, то в качестве величины о, стоящей в пашей
формуле, мы должны понимать линейную скорость Солн­
ца ос на его орбите в диске, а в качестве величины г —
радиус солнечной орбиты /'с. Эти две величины измере­
ны астрономами в непосредственных наблюдениях звезд
и межзвездной среды нашей Галактики. Значит, нашей
формулой можно воспользоваться для определения как
раз той массы, тяготение которой и удерживает Солнце
15

в Галактике. После простого преобразования мы полу­
чим явное соотношение для этой массы:

Мы уже знаем, что с'с-220 км/с, что /'с —8 кик. Под­
ставляя эти величины, найдем, что внутри орбиты Солн­
ца содержится масса ’' 7И = 2-1044 г—10й Л1сСобственно, таким путем и была впервые найдена
масса нашей Галактики. Пересчитать все ее звезды и
сложить их массы, конечно, невозможно. Но, как мы
видим, не так уж трудно найти суммарную массу звезд—
по крайней мере внутри орбиты Солнца. Вместе с тем
это очень хорошая, хотя и приближенная, оценка для
полной массы всех звезд Галактики, поскольку основ­
ная, подавляющая их часть Заключена именно внутри
солнечной орбиты.
Кинематика гало Галактики мало напоминает дви­
жения в планетной системе или в диске. Звезды гало
движутся не по круговым, а по вытянутым орбитам, ори­
ентированным хаотически в пространстве. Они заполня­
ют почти правильный сферический (сплюснутый у по­
люсов) объем. Общее вращение гало медленное ио сра­
внению с диском. В общем, картина движений звезд в
гало несколько сложнее и, главное, чуть менее нагляд­
на, чем в диске. И тем не менее даже для гало можно
применять наше общее соотношение, связывающее мас­
су, радиус и скорость. Если интересоваться гало как
целым, то под массой следует понимать полную массу
всех звезд Галактики — и гало, и вложенного в пего
диска, а под радиусом — радиус гало. Что же касается
скорости, то ее роль будет играть не индивидуальная
скорость каких-то отдельных звезд, а средняя скорость
всех звезд гало. Об этой последней величине можно по­
лучить представление по наблюдениям нескольких де­
сятков (а лучше сотен) звезд гало. Оказывается, что
средняя величина, вычисленная по данным об индиви­
дуальных скоростях, близка к орбитальной скорости
Солнца. Ясно, что в таком случае оценка массы даст
по нашей формуле снова величину порядка ста миллиар­
дов масс Солнца.
Момент вращения. В физике вращательное движение
* Л1с = 2-1033 г — масса Солнца.
16

характеризуют такими величинами, как период ооращения, линейная и угловая скорость, о которых мы уже
упоминали; очень важной характеристикой движения яв­
ляется также и момент импульса, который иногда на­
зывают еще и моментом количества движения, а в аст­
рономии — угловым моментом или моментом вращения.
Можно говорить о моменте отдельной звезды, о момен­
те всего галактического диска, моменте гало, моменте
Галактики. В случае звезды, вращающейся вокруг га­
лактического диска по орбите, близкой к круговой, мо­
мент представляет собой произведение трех сомножите­
лей: массы звезды, ее линейной скорости вращения и ра­
диуса ее орбиты. Для Солнца эта величина есть Ь =
= Л1сГ'с/с= Ю03 г-см2/с.
Полезная физическая величина — удельный момент,
т. е. момент, рассчитанный на единицу массы. Для Солн­
ца это /е = Л/Л4с=5- 1029 см2/с.
Глядя на кривую вращения Галактики, можно уви­
деть. что удельный момент Солнца более или менее
близок —• по крайней мере по порядку величины — к
удельному моменту других звезд диска, лежащих в ин­
тервале расстояний от 3—4 до 10—12 кпк. Момент
(удельный или полный) для звезд, лежащих во внутрен­
ней области диска, в пределах 3—4 кпк от центра, за­
метно меньше. Так что можно определенно сказать, что
главный вклад в момент всего диска должны давать
звезды его среднего, основного кольца, движущегося по
орбитам с радиусами от 3—4 до 10—12 кпк (на это
кольцо приходится примерно половина или треть массы
диска). Поэтому удельный момент для диска можно
ориентировочно оценить как половину или треть от к.
Что же касается удельного момента всех звезд Галак­
тики (без короны!), то, поскольку массы диска и гало
близки, а вклад гало в момент — из-за его медленного
вращения —■ сравнительно мал, его величину можно
считать приблизительно равной удельному орбитально­
му моменту Солнца, уменьшенному в 4—6 раз: к~
~ 1020 см2/с.
Эта величина является главной физической характе­
ристикой вращения Галактики. Та приблизительная оцен­
ка, которую мы здесь дали для нее, служит, конечно,
лишь указанием на порядок величины. Точное опреде­
ление удельного момента Галактики требует более де2268—2

17

тального анализа, который, однако, осложнен рядом не­
определенностей, связанных с ненадежностью или с не­
полнотой астрономических сведений о кривой вращения
Галактики, о распределении се массы и т. д. Вычисле­
ния, основанные на тех или иных конкретных моделях
Галактики, дают для се удельного момента значения
того же порядка.
Знание момента вращения — в отличие, например, от
скорости вращения — обладает существенным преиму­
ществом: дело в том, что момент есть величина, сохра­
няющаяся во времени. Если на данную массу вещества
не действуют никакие посторонние силы, т. е. силы, соз­
даваемые другими, внешними телами, то величина мо­
мента не меняется, какие бы изменения ни претерпевали
бы, скажем, размеры и объем этой массы. В теории об­
разования галактик рассматривают процессы сжатия
«облаков», сгущение газовых масс, которым предстоит
превратиться в звездные системы. Момент вращения
этих масс при таких процессах не изменяется, когда от­
дельное облако обособилось от других облаков и нача­
ло свою индивидуальную эволюцию. Эта эволюция су­
щественным образом зависит от величины момента, ко­
торым обладало протогалактическое облако; моментом
определяется, очевидно, и скорость вращения, которую
будет иметь образовавшаяся из него галактика.
Скажем об этом немного подробнее. Представим се­
бе какое-то большое газовое облако, масса которого
сравнима с массой Галактики, а размеры превышают
радиус видимых подсистем Галактики — диска и га­
ло, — например, раз в десять. Такое облако принято на­
зывать протогалактикой. Облако-протогалактика обла­
дает вращением, которое характеризуется определенной
величиной удельного момента. Удельный момент — это
всегда произведение скорости вращения на соответст­
вующий радиус. Если начальная скорость вращения г,,,
а начальный размер г0, то их произведение /г, составля­
ющее удельный момент, остается постоянным при всей
дальнейшей эволюции протогалактики. Протогалактикадолжна сжиматься под действием ее собственного тяго­
тения, так что размер облака со временем уменьшает­
ся. Сохранение момента означает, что при новом раз­
мере г, скорость вращения щ должна быть уже иной.,
чтобы их произведение оставалось неизменным: /г =
~'Оог0='0\Г 1.
18

Если размер уменьшается, то, очевидно, скорость вра­
щения должна возрастать:
П| = у0— •
г1

Предположим, что после уменьшения размера в де­
сять раз газовая протогалактика превратилась в звезд­
ную систему, такую как наша Галактика. Чтобы вели­
чина
была равна скорости вращения диска Галакти­
ки (в ее основном кольце)
107 см/с, начальная ско­
рость вращения протогалактики до ее сжатия должна
■быть соответственно раз в десять меньше: а0—Юб см/с.
Вот такую начальную скорость вращения и должна объ­
яснить (т. е. выяснить се происхождение) теория обра­
зования галактик.
Сделаем еще одно замечание. Когда мы говорили о
динамике диска Галактики, было сказано, что сила тяго­
тения как бы «заворачивает» звезду вокруг галактиче­
ского центра. Это действительно так; но не следует, од­
нако. считать, что сила тяготения сообщает при это.х
звезде момент вращения. Сама возможность крутовог
движения целиком определяется наличием момента, кс
торый достался звезде от исходного вращения газово.
протогалактики. Сила тяготения направлена к центру, и
если бы у звезды не было момента, она бы, ускоряясь,
падала под действием этой силы па центр. При нали­
чии момента сила тяготения уже не может увлечь звез­
ду в центр, а способна лишь постоянно изменять направ­
ление скорости звезды на ее круговой орбите, оставляя
неизменной по величине линейную скорость вращатель­
ного движения.
Спиральные галактики. Иаша Галактика и туман­
ность Андромеды представляют собою гигантские спи­
ральные галактики, очень сходные по строению и дина­
мике. На них похожи и другие спиральные галактики,
так пли иначе известные и изученные к настоящему вре­
мени. Среди различных типов галактик во Вселенной
спиральным принадлежит большинство. Однако далеко
не все они так велики, как наша или туманность Андро­
меды. Спиральные галактики различаются по массам и
размерам, но основная их доля приходится на звездные
системы с массами около 10 млрд, масс Солнца. Тако­
ва типичная масса спиральной галактики, точнее, масса
ее видимого звездного населения. Типичная спиральная
галактика имеет еще и невидимую корону с массой, пре­
10

восходящей в 5—10 раз суммарную массу звезд. На это
определенно указывают наблюдаемые кривые враще­
ния.
Вращение спиральных галактик изучают по данным
о лучевых скоростях их звезд. Это особенно легко дела­
ется тогда, когда мы видим галактику с ребра. В этом
случае один край галактики приближается к нам (от­
рицательная лучевая скорость), а другой — удаляется
(положительная лучевая скорость). Максимальные лу­
чевые скорости, измеренные у галактики, соответству­
ют, очевидно, значению линейной скорости вращения на
краю ее диска. Линейная скорость вращения
иной
спирали в се основном, среднем кольце обычно близка
к величине ц= (0,54-1) ■ 107 см/с. Соответствующий сред­
ний радиус диска г = 2—4 кпк.
Удельный момент, характеризующий галактику в це­
лом (с учетом массы ее гало, но без короны), можно в
этом случае оцепить точно так же, как это было сде­
лано выше для нашей Галактики. В результате для
удельного момента типичной спиральной галактики по­
лучим приблизительно /г~ (0,34- 1) ■ 10м см2/с.
Эта оценка, как мы видим, нс сильно отличается от
той, что была найдена для нашей Галактики.
Галактики в группах. Исследования спиральных га­
лактик обнаруживают, что практически все они входят
в группы и скопления различной кратности — от пар,
триплетов и квартетов до образований, содержащих ты­
сячи объектов. Скопления, в которых преобладают спи­
ральные галактики (а таких большинство во Вселен­
ной), обычно имеют клочковатое, неправильное строе­
ние, т. е. фактически состоят из более пли менее изоли­
рованных группировок различных размеров и масс..
Внутри пар, триплетов и групп галактики движутся под
действием сил их взаимного тяготения. Такие движения
совсем не похожи, например, па движение планет Сол­
нечной системы: никакого центрального тела в группах:
нет, так что, вообще говоря, круговых орбит быть не
может, и каждая галактика в равной мере испытывает
действие со стороны всех остальных. Все же, подобно
движениям в планетной системе или в звездном дискеГалактики, каждая галактика в группе движется с оп­
ределенным моментом вращения, который можно оце­
нить, например, по ее скорости относительно центра;
20

масс (центра тяжести) группы и расстояния до этого
центра.
Движения галактик в группах довольно сложны, и
их изучение представляет собой трудную задачу как
для наблюдателей, так и для теоретиков. Здесь еще
много нерешенных проблем. Можно, однако, с той или
иной степенью надежности говорить о некоторых общих
динамических свойствах групп галактик, основываясь на
наблюдениях и общих принципах теории. Так, наблю­
дения довольно определенно указывают на то. что в
крупных группах и скоплениях галактик отсутствует
общее вращение. Хотя каждая галактика и обладает
своим моментом вращения, общий момент большой груп­
пы как целого практически равен нулю. К такому выво­
ду приводит анализ наблюдательных данных, проделан­
ный советским астрономом И. Д. Караченцевым.
Общее вращение отсутствует, возможно, даже в па­
рах галактик. Если пара состоит из двух спиральных
галактик, то каждая обладает в этом случае двумя мо­
ментами вращения — собственным моментом вращения
относительно ее оси и орбитальным моментом враще­
ния относительно центра масс двойной системы. По дан­
ным И. Д. Караченцева и ленинградского астронома
Д. А. Вернера, в большинстве пар галактик их орби­
тальные движения являются почти круговыми, а вели­
чины орбитального и собственного момента галактик
близки друг к другу (по модулю). Очень интересен во­
прос об относительной ориентации орбитального и соб­
ственного вращательного движений, об ориентации соб­
ственных вращений обеих галактик в паре. Данные на
этот счет остаются пока еще нс слишком определенны­
ми; однако имеются все же основания полагать, что эти
движения ориентированы таким образом, что полный
момент пары (орбитальный плюс собственный) действи­
тельно близок к нулю. Как считает американский аст­
роном Дж. Хэлоу, собственные вращения галактик в па­
рах, по-видимому, чаще противоположны по направле­
нию. Здесь требуются еще дальнейшие тщательные ис­
следования.
ПРЕДЫСТОРИЯ ЗВЕЗДНЫХ СИСТЕМ

Вначале был газ. Таково исходное положение, лежа­
щее в основе современных теорий образования галактик.
21

В отдаленные эпохи в прошлом Вселенной то вещест­
во, из которого состоит Земля и все, что па ней (вклю­
чая,разумеется, и нас с вамп, уважаемый читатель), все
планеты и звезды, представляли собой газ, равномерно
заполнявший всю Вселенную. Общее расширение косми­
ческого вещества и развивавшиеся на этом фоне собст­
венные движения больших газовых масс привели со вре­
менем к образованию звездных систем — галактик. Га­
зодинамическим процессам принадлежала ключевая
роль в формировании самых крупных космических
структур. Скорее всего в газовой динамике нужно ис­
кать также и причину вращения галактик.
Вселенная без галактик. История Вселенной началась
с события, которое — вслед за Г. А. I амовым — назы­
вают Большим Взрывом. Этот «взрыв» произошел одно­
временно и повсюду во Вселенной, заполнив ее очень
плотным веществом. Большой Взрыв сообщил веществу
общее расширение, которое продолжается и до сих пор
в виде разбегания галактик. Динамика общего космоло­
гического расширения описывается теорией, построен­
ной в 1922 г. А. А. Фридманом. К этой теории Г. Л. Га­
мов (который, кстати сказать, был учеником Фридмана
по Ленинградскому университету) добавил в 1946—
1948 гг. термодинамику, ои предположил, что вещество,
рожденное Большим Взрывом, было не только очень
плотным, но и очень горячим. Выводы, которые следо­
вали из этого допущения, оказались чрезвычайно содер­
жательными и интересными; особенно важно, что они
нашли в дальнейшем полное и надежное подтверждение
в многочисленных астрономических наблюдениях. Кос­
мологическая теория Фридмана—Гамова служит в на­
стоящее время тем фундаментом, на котором строятся
новейшие теории происхождения космических структур.
Причина, породившая Большой Взрыв, остается до
сих пор загадочной. Только в последние годы, и при­
том пока еще в самом предварительном виде, появились
некоторые идеи и гипотезы относительно физической су­
ти этого явления; о новейших исследованиях в этой об­
ласти можно прочитать, например, в научно-популярной
книге И. Д. Новикова (ученика Я. Б. Зельдовича) «Как
взорвалась Вселенная» (Наука, 1988). Мы не будем
здесь касаться этого интересного, но весьма сложного
вопроса; для нас сейчас важно обратить внимание на
ту особенность Большого Взрыва, которую подчеркивал
22

Зельдович: вещество ранней Вселенной было однород­
ным, всюду одинаковым ио плотности. Современная Все­
ленная тоже в целом однородна, но именно лишь толь­
ко в целом, т. е. в среднем, по очень большим масшта­
бам, по объемам пространства, включающим в себя мно­
го галактик и их скоплений. Ранняя же Вселенная была
«с хорошей точностью», как сказано у Зельдовича, одно­
родна во всех масштабах, вплоть до самых малых, чуть
ли не до масштаба отдельных элементарных частиц, из
которых состояло вещество. Это означает, что во Все­
ленной полностью отсутствовали тогда тс очень значи­
тельные различия в плотности вещества между отдель­
ными се областями, которые, например, существуют сей­
час между галактиками и пространством вне их.
Протоструктура. Различия по плотности распределе­
ния вещества в разных областях среды удобно характе­
ризовать относительными величинами. Например, если
речь идет о каком-то сгущении вещества, об области
повышенной плотности, то можно дать этому сгущению
количественную меру, указав отношение плотности в
сгущении к плотности вне его или к средней плотности
среды. Для современного распределения галактик эти
величины таковы. Типичная плотность вещества внутри
галактики рг~ 10"24 г/см3. Средняя же плотность всего
распределения галактик, т. е. та плотность, которая по­
лучилась бы при «размазывании» вещества всех звезд­
ных систем по всему занятому ими пространству, состав­
ляет р~ (1 -т-3) • 10~31 г/см3.
Галактики как структуры характеризуются контра­
стом плотности, т. с. относительной величиной превыше­
ния их плотности над средней плотностью: 6=(рг—■
—гД/р~рг/[Г~(14-3)-106.
Контраст, как мы видим, весьма велик: галактики
представляют собой такие сгущения вещества, плотность
которых в миллионы раз превышает среднюю плотность.
Это очень сильная неоднородность распределения ве­
щества.
В ранней Вселенной ничего подобного не было. Но
это не означает, что все ее вещество было распределе­
но тогда идеально однородно, так что во всех масшта­
бах контраст плотности строго равнялся нулю. Такое со­
стояние среды принципиально невозможно, хотя бы вви­
ду тепловых флуктуаций в газе. Хаотические тепловые
движения частиц неизбежно создают отдельные сгущс23

ния п разрежения вещества просто из-за случайного ха­
рактера этих движений. По общим законам термодина­
мики типичный контраст плотности, создаваемый по
этон причине в области пространства, которая содержит
N частиц, есть бт= 1/У /V .
Если интересоваться масштабом галактики, т. с. рас­
сматривать области, в которых содержится масса, ска­
жем, в десять миллиардов масс Солнца (типичная мас­
са спиральной галактики), то число частиц в этой об­
*
ласти
составит Д' = Л4,./ш ~ 1О07, где Лф.= 10|0Л4с~
~ 1043 г — масса галактики,
г —• масса атома
водорода, самого распространенного элемента космиче­
ского вещества (на него приходится приблизительно
три четверти всей массы этого вещества).
При столь большом числе частиц контраст плотно­
сти, создаваемый тепловыми флуктуациями в газе, исче­
зающе мал: