от миллиардов звезд, и все они кружатся вокруг плотной центральной области. В ядре концентрация вещества так велика, что образуется зона постоянной плотности, которую называют перемычкой. Отсюда и название – “спиральная галактика с перемычкой” по классификации Хаббла.
Ее форма известна в математике как логарифмическая спираль, или спираль роста; эта кривая встречается во многих природных процессах. Начинаясь с центральной точки, она раскручивается так, что длина радиус-вектора растет с постоянной скоростью при увеличении полярного угла[26]. Получается очаровательная геометрия, характерная для некоторых раковин, таких как у наутилусов. Декарт был первым, кто описал ее аналитически, а Якоб Бернулли влюбился в нее до такой степени, что назвал “чудесной спиралью”, точнее spira mirabilis, и попросил вырезать ее на своем надгробии.
Если по отношению к Солнцу скорости движения планет уменьшаются с увеличением расстояния до него, то по отношению к галактическому центру все звезды движутся по орбитам с примерно одинаковой скоростью, около двухсот километров в секунду, что несколько превышает семьсот тысяч километров в час. Мы уже видели, что такая большая и почти постоянная скорость служит одним из наиболее очевидных указаний на присутствие весьма существенного объема темной материи. Фактически то, что мы называем Млечным Путем, – лишь небольшая часть нашей Галактики.
Пыль, газ и звезды, то есть видимое вещество, распределены по плоскому диску диаметром около ста тысяч и толщиной две тысячи световых лет. Наше Солнце со всеми своими планетами движется по орбите на расстоянии около двадцати шести тысяч световых лет от галактического центра, и, как ни велика его скорость, ему требуется более двухсот миллионов лет, чтобы описать полный круг. Вся Галактика погружена в огромное сферическое гало темной материи, диаметр которого оценивается примерно в миллион световых лет. Светящаяся ее часть оказывается почти несущественной по сравнению с огромным облаком невидимой и загадочной материи, всеобъемлющей и вездесущей, на долю которой приходится около 90 % всей массы Галактики.
Галактики, скопления, столкновения
Фаза формирования больших галактик охватывает длительный период жизни Вселенной. Фактически первые скопления начинают появляться примерно через пятьсот миллионов лет после Большого взрыва и продолжают формироваться на протяжении трех-четырех миллиардов лет, а небольшие компактные галактики будут продолжать формироваться и в последующие несколько миллиардов лет.
Млечный Путь – это галактика, размер которой намного больше среднего. Благодаря ее объему и количеству содержащихся в ней звезд ее по праву можно считать гигантской галактикой. Однако существуют настоящие монстры, на фоне которых даже значительные размеры нашего Млечного Пути покажутся смешными. Один из них – IC 1101, сверхгигантская галактика диаметром шесть миллионов световых лет, содержащая более ста триллионов звезд.
Общее количество галактик во Вселенной было вычислено путем экстраполяции галактик, наблюдаемых в небольшой части неба, которая, казалось, не содержала ни одной. Результат впечатляет: по самым последним оценкам, насчитывается более двухсот миллиардов галактик. Не считая слишком маленьких или слишком тусклых, чтобы их можно было наблюдать с больших расстояний.
Наряду со спиральными галактиками среди наиболее распространенных – галактики эллиптические, они яйцевидной, почти сферической формы. Эти два типа включают в себя почти 90 % всех галактик, а у остальных – неправильная форма.
У некоторых небольших галактик бывают очень экстравагантные формы. Среди них есть кольцевые структуры различной конфигурации, не говоря уже о еще более странных, напоминающих пингвина или буквы алфавита. Часто такие формы возникают из-за столкновений галактик. Очень маловероятно, чтобы встреча звезды с другим небесным телом приняла характер непосредственного столкновения, но сильное гравитационное взаимодействие в результате их сближения может нарушить упорядоченную структуру системы, из-за чего она принимает исключительно причудливые формы. Считается, что у всех галактик изначально форма диска, а эллиптическими они становятся в результате слияния с другими или из-за галактического каннибализма.
Недалеко от Млечного Пути есть еще две гигантские галактики: ближайшая – в созвездии Андромеда, а чуть более дальняя – в созвездии Треугольник. Все три входят в так называемую местную группу, в поле притяжения которой находятся спутники – такие, как Большое и Малое Магеллановы Облака. Всего существует около шестидесяти галактик-спутников; чаще всего это карликовые эллиптические галактики, причем некоторые из них совсем крошечные, содержат всего несколько тысяч звезд.
По-видимому, наш Млечный Путь и галактика Андромеды держат курс на столкновение. Расстояние между ними немаленькое – два с половиной миллиона световых лет, но и скорость, с которой они несутся навстречу друг другу, тоже нешуточная – четыреста тысяч километров в час. Короче говоря, вполне вероятно, что через пять или шесть миллиардов лет эти две большие галактики устроят в космосе по-настоящему зрелищное шоу. Сблизившись, они войдут в очень длительную турбулентную фазу, в ходе которой приливные силы до неузнаваемости деформируют эти две чудесные спирали и, возможно, образуется единая гигантская структура. Галактика Треугольника будет какое-то время просто стоять в стороне и наблюдать, а затем превратится в галактику-спутник той, что образуется в результате слияния двух гигантов. Возможно, спустя еще некоторое время она также сольется с новым огромным образованием.
Обособленные группы могут состоять из десятков галактик. Если их число превышает сотню, то мы говорим не о группе, а о скоплении. Группы, скопления и одиночные галактики, в свою очередь, образуют еще более гигантские структуры, называемые сверхскоплениями. Эта иерархическая единица довольно распространена и встречается повсеместно. Например, местная группа Млечного Пути входит составной частью в сверхскопление Девы, содержащее почти пятьдесят тысяч галактик. Различные сверхскопления связаны друг с другом галактическими нитями, которые разделяются космическими пустотами – войдами. Эта иерархическая организация в конечном счете формирует суперструктуру, похожую на губку, с огромными пузырями пустоты, перемежающимися областями с высокой плотностью галактик; все вместе – это крупномасштабная структура Вселенной.
Темное сердце Млечного Пути
Ядро нашей Галактики также можно увидеть невооруженным глазом ясной летней ночью, глядя на юг, прямо над горизонтом в созвездии Стрелец. Звезд особенно не видно, но если воздух чистый и прозрачный и поблизости нет источников светового загрязнения, то можно разглядеть что-то вроде рассеянного свечения. Это то, что осталось от света большого числа близко расположенных звезд, ослабленного пылью, которая накапливается вокруг центра Галактики. Чтобы получить более четкое изображение, нужно использовать телескопы, способные видеть сквозь пыль, например инфракрасные или работающие в рентгеновском диапазоне.
Наблюдения с помощью этих инструментов позволили выявить огромную концентрацию звезд в ядре и привели к тревожному открытию. Когда были измерены орбитальные скорости некоторых из этих звезд, сразу стало ясно: что-то не сходится, поскольку все они движутся со скоростями, значительно превышающими ожидаемую. Решено было в течение нескольких месяцев следить за движением десятков таких звезд, очень близко расположенных к центру Галактики; измеренные в результате скорости были умопомрачительными: у одной из звезд она доходила до пяти тысяч километров в секунду.
Когда мы видим несколько десятков звезд, быстро движущихся по орбитам, предполагающим очень сильное гравитационное притяжение, но не видим при этом ничего, что могло бы такое притяжение создавать, вывод может быть только один: в центре Галактики находится какой-то невидимый гигантский объект с массой, в четыре миллиона раз превосходящей солнечную. Знакомьтесь: это Стрелец А*. В темной глубине сердца нашего безмятежного Млечного Пути скрывается какое-то чудище. Материализуется худший из кошмаров наших предков: мы падаем в бездонный гравитационный колодец, который рано или поздно поглотит все. Безвозвратно.
Стрелец А* – черная дыра огромной массы с радиусом Шварцшильда около двенадцати миллионов километров; ее плотность велика, но даже отдаленно не сравнима с плотностью черных дыр звездного происхождения, которые значительно менее тяжелые, но крошечные по размеру. Она, очевидно, принадлежит к новому классу – сверхмассивных черных дыр; ее характеристики сильно отличаются от характеристик ее собратьев, образовавшихся на последней стадии эволюции крупных звезд. По сравнению со Стрельцом А* черные дыры с массой около тридцати солнечных – вроде тех, от слияния которых впервые удалось зарегистрировать гравитационную волну, – кажутся нам крошечными и почти изящными объектами.
По чистой случайности ближайшая к нам черная дыра оказалась в центре созвездия, часто ассоциируемого с именем Хирона, кентавра из греческих мифов, получеловека-полуконя, самого искусного из лучников. Хирон – порождение противоестественной связи Кроноса, принявшего образ коня, с нимфой Филирой. Он был покинут матерью и испытывал отвращение к своей внешности. Аполлон обучал его всем искусствам, и он стал самым образованным среди кентавров, своих жестоких и звероподобных собратьев. Стрелец – его антономасия. Хирон – символ человека, который благодаря знаниям и культуре преодолевает свою животную природу. Согласно легенде, Хирон стал большим знатоком медицины и иных дисциплин, что позволило ему выступить наставником многих великих героев, начиная с Ахилла.
Стрелец А*, как и Хирон, может помочь нам понять мир, который нам враждебен и кажется полным опасностей. Изучение поведения сверхмассивных черных дыр, тех турбулентных областей, где вещество существует при экстремальных условиях, может стать ключом к пониманию очень важных вещей, до сих пор от нас ускользавших. Вот почему многие телескопы и другие всевозможные инструменты направлены именно туда, собирая все больше и больше удивительных данных.