Интенсивное изучение галактик, в том числе и с помощью радиотелескопов, открытие фонового излучения, новых, совершенно необычных космических объектов типа квазаров привело к возникновению новых загадок и к созданию множества космологических моделей строения и происхождения Вселенной. Как же современные учёные представляют себе происхождение и эволюцию галактик?

Детально разработанной "теории возникновения и эволюции галактик" пока нет. Однако основные представления об этом процессе вырисовываются всё отчетливее. Образование галактик рассматривают как естественный этап эволюции Вселенной.

Формирование галактики – это очень сложный процесс. Здесь задействованы силы притяжения и большие скопления газа, которые участвуют в процессе формирования звёзд. Всё, что нам известно - это то, что на заре возникновения Вселенной ещё не было никаких звезд и планет. Главной загадкой было то, как эти бесформенные скопления газа смогли трансформироваться в галактики сложных форм? Предполагается лишь, что галактики сформировались из раскаленных облаков ионизированного газа, наполня́вшего Вселенную в самом начале, но не до конца понятно - как это произошло?

 
Формирование Галактики из газового облака

Все космогонические старые и новые естественнонаучные теории (а точнее – гипотезы) – сколь бы сложны или вычурны они ни были – крутятся вокруг двух простых слов "холодно" и "горячо". Первые утверждают, что исходный материал, из которого образовались небесные тела, был сначала холодным, а затем постепенно (или, напротив, мгновенно) разогревался. Вторые доказывают обратное: исходный материал изначально был горячим (и даже – сверхгорячим), а остывание началось после образования космических протообъектов. В первом случае мы имеем дело с так называемыми "холодными моделями", во втором – с "горячими". Но, как говорится: моделей много – мир один.

Иллюстрация эволюции галактик во времени

Эти изображения галактик, полученные с различных расстояний с помощью Космического телескопа "Хаббла", подобраны так, чтобы проиллюстрировать эволюцию галактик во времени. Крайние левые - близкие галактики, возраст которых совпадает с текущим возрастом вселенной (около 14 - 15 млрд. лет); в центре слева - галактики в населенных скоплениях, возраст которых составляет около двух третей возраста Вселенной (эллиптические галактики имеют практически ту же форму, а спиральные – менее выражены). В центре справа – спиральные галактики в возрасте, составляющем одну треть возраста вселенной; они имеют ещё хуже выраженную, сглаженную структуру, хотя эллиптические (вверху) уже хорошо распознаю́тся. Наконец, крайние справа фотографии отвечают начальной стадии развития Вселенной - одной десятой нынешнего возраста. Различий между разными формами галактик почти нет, хотя верхние изображения можно считать сложившимися эллиптическими галактиками. Это наталкивает на мысль, что эллиптические галактики образовались уже на самых ранних этапах развития Вселенной.

1. Образование галактик как естественный этап эволюции горячей Вселенной

По-видимому, около 15 млрд. лет назад в первичном веществе благодаря гравитационной неустойчивости началось обособление протоскопле́ний с характерными массами порядка 10¹⁶ МСолнца. В протоскопле́ниях в ходе разнообразных динамических процессов происходило выделение групп протогала́ктик. Дальнейшая эволюция протогала́ктик определялась их гравитационным полем и гравитацией протоскопле́ния. Многообразие форм галактик связано с разнообразием начальных условий образования протогала́ктик. Например, если галактика возникла из быстро вращающейся протогала́ктики, то быть ей спиральной, если из медленно вращающейся - то эллиптической. Сжатие протогала́ктики длится около 3 млрд. лет. За это время происходит превращение газового облака в звёздную систему. Дальнейшая эволюция галактики определяется комплексом процессов: эволюция звезд, химическая эволюция, структурно-динамическая эволюция звёздной системы. Звёзды образуются путем гравитационного сжатия облаков газа. Когда в центре сжатого облака достигаются плотности и температуры, достаточные для эффективного протекания термоядерных реакций, рождается звезда. В недрах массивных звёзд происходит термоядерный синтез химических элементов тяжелее гелия. Эти элементы попадают в первичную водородно-гелиевую среду при взрывах звёзд или при спокойном истечении вещества со звёзд. Элементы тяжелее желе́за образуются при грандиозных взрывах сверхновых звёзд. Таким образом, звёзды первого поколения обогащают первичный газ химическими элементами, тяжелее гелия. Эти звёзды наиболее старые и состоят из водорода, гелия и очень малой примеси тяжелых элементов. В звёздах второго поколения примесь тяжелых элементов более заметная, так как они образуются из уже обогащенного тяжелыми элементами первичного газа. Процесс рождения звёзд идёт при продолжающемся сжатии протогала́ктики, поэтому формирование звезд происходит всё ближе к центру системы, и чем ближе к центру, тем больше должно быть в звёздах тяжелых элементов. Этот вывод хорошо согласуется с данными о содержании химических элементов в звёздах гало нашей Галактики и эллиптических галактик. Во вращающейся протогала́ктике звезды будущего гало образуются на более ранней стадии сжатия, когда вращение еще не повлияло на общую форму протогала́ктики. Реликтами этой эпохи в нашей Галактике являются шаровые звёздные скопления. Своим положением они как бы очерчивают первоначальную почти сферическую форму молодой Галактики. Масса газа, не вошедшая в образовавшиеся звёзды, а также выброшенная в ходе эволюции этих звёзд, имела некоторый орбитальный момент и под влиянием тяготения системы опускалась к плоскости симме́трии, образуя диск. Здесь в самых плотных фрагментах газа зарождалось новое поколение звёзд. Около 5 млрд. лет назад прекратилось сжатие протогала́ктики: в это время кинетическая энергия образовавшихся звёзд диска равна энергии коллективного гравитационного взаимодействия. В ту эпоху, по-видимому, создаются условия для образования спиральной структуры, а рождение звёзд происходит уже в спиральных ветвях, в которых газ достаточно плотный. Это звёзды третьего поколения, их возраст сейчас – от 1 до 5 млрд. лет. К ним относится наше Солнце. Значительная часть вещества в процессе звездообразования превращается в долгоживущие звёзды малой массы. Звезда с массой в одну солнечную превращается в белый карлик, а более массивная - в нейтронную звезду. Эти объекты уже не участвуют в эволюции галактик. Запасы межзвездного газа постепенно истощаются, рождение звёзд становится менее интенсивным. Через несколько миллиардов лет, когда будут исчерпаны все запасы газа, спиральная галактика превратится в линзообра́зную, состоящую из слабых красных звёзд. Эллиптические галактики уже находятся на этой стадии: весь газ в них израсходован 10 - 15 млрд. лет назад.