Если бы мы могли посмотреть на нашу Галактику со стороны, то в первую очередь увидели бы диск, испускающий около 80 % всего света Галактики. Это связано как с тем, что в диске сосредоточена бóльшая часть звезд, так и с тем, что среди них много ярких объектов, поскольку там идет процесс звездообразования.
Хотя диск не имеет резкой границы, можно говорить о его характерном размере. Он тянется до расстояний в несколько десятков тысяч световых лет от центра Галактики, постепенно становясь все более разреженным. В нем выделяют две составляющие: тонкий и толстый диски. Тонкий диск доминирует с точки зрения испускаемого излучения: именно там сосредоточено основное количество звезд, и там формируются спиральные рукава. Детали спиральной структуры нашей Галактике остаются до конца неясными.
Диск – самая заметная часть Галактики, в нем сосредоточена бóльшая часть звезд.
Тонкий диск имеет характерную полутолщину около 1000 световых лет, а толстый примерно втрое толще. Этот компонент Галактики выделили относительно недавно, лишь в 1983 г., он состоит из более старых звезд, чем тонкий диск, с меньшим содержанием тяжелых элементов. Кинематика звезд в нем отличается по своим характеристикам от звезд тонкого диска, поверхностная яркость толстого диска в несколько раз меньше. Толстый диск должен был сформироваться довольно быстро (менее чем за миллиард лет), когда Галактика была еще молодой.
В центральной части Галактики находится звездный балдж – «вздутие». Его масса превосходит 10 млрд солнечных. Для размеров и массы нашего диска балдж не очень крупный, а в остальном наша Галактика довольно типична (если сравнивать ее с другими гигантскими спиральными галактиками).
Балдж – одна из самых старых частей Галактики, возраст основной массы звезд в нем превышает 10 млрд лет. Там мало газа, а потому мало молодых звезд. Размеры балджа составляют несколько тысяч световых лет.
Также в центральной области можно выделить так называемый бар – перемычку (иногда говорят даже о двух барах). Хотя «географически» бар находится внутри балджа, он является элементом диска. Это динамическая звездная структура, имеющая вытянутую форму, возможно, играющая важную роль в формировании спиральных рукавов.
Балдж – одна из самых старых структур Галактики.
Самая протяженная часть Галактики – ее гало, состоящее в основном из темного вещества, хотя там есть и газ, и звезды. Их движение не похоже на поведение звезд диска, которые вращаются в одной плоскости и в одну сторону вокруг центра. Звезды гало движутся по вытянутым орбитам, пересекая диск под разными углами, а в целом гало вращается медленно. Самые далекие звезды гало находятся на расстоянии более полумиллиона световых лет от центра Галактики.
Когда мы говорим о больших размерах гало, речь идет в первую очередь о темном веществе. Половина массы гало сосредоточена внутри радиуса около полумиллиона световых лет. Звездное гало гораздо компактнее (характерный размер – десятки тысяч световых лет). Выделяют внутреннее гало (по-видимому, формировалось быстро, вместе с балджем, на ранних стадиях эволюции Галактики за счет коллапса протогалактического газа) и внешнее гало (формировалось позже, в основном за счет поглощения карликовых галактик-спутников). Также к гало относят систему шаровых звездных скоплений.
Гало темного вещества – самая большая и массивная часть Галактики.
Звезды гало имеют очень малое содержание тяжелых элементов. К счастью, некоторые из них можно изучать достаточно детально, поскольку они пролетают и вблизи Солнца. Примерно одна звезда из 1000 в солнечных окрестностях относится к гало. Такие объекты можно выделять по их движению: они пересекают галактический диск под большим углом и с большой скоростью.
Основная масса звезд сформировалась в первые несколько миллиардов лет жизни Галактики.
Изучать гало других галактик сложно, поскольку все они состоят из относительно небольшого количества старых звезд, плохо видимых с большого расстояния. Лишь для туманности Андромеды (М31) и галактики в Треугольнике (М33) у нас имеются достаточно подробные данные по их звездным гало. В будущем введение в строй новых телескопов большого диаметра позволит детально исследовать эти структуры в более далеких галактиках.
Поскольку гало, особенно внешнее, формировалось в процессе скучивания в эпоху, когда происходило интенсивное поглощение галактик-спутников, там может находиться довольно много массивных черных дыр с массами от сотен до десятков тысяч солнечных, связанных с разрушенными спутниками. Однако пока наблюдать их не удается.
В истории формирования Галактики существует много вопросов. По-видимому, первыми возникли балдж и внутреннее гало, что известно по содержанию элементов в звездах этих компонентов. Современные модели показывают, что половина звездной массы сформировалась за первые 4 млрд лет эволюции. Затем темп формирования звезд существенно упал примерно на миллиард лет, а после небольшой паузы слегка возрос и оставался примерно неизменным до наших дней. Самые старые звезды Галактики находятся в шаровых скоплениях и внутренней части балджа, самые молодые – в тонком диске Галактики. Последняя составляющая образовалась позже всех, особенно ее внешние части, которые росли по мере натекания газа с большим орбитальным моментом. На первых этапах истории Галактики слияния с другими крупными звездными системами могли играть заметную роль, но последние 10 млрд лет событий такого типа не происходило – поглощались лишь мелкие спутники, неспособные существенно изменить структуру Галактики. Следы влияния карликовых галактик мы видим в разных частях нашей Галактики. Например, к ним относятся звездные потоки – остатки разрушенных спутников, которые наблюдаются в галактическом гало. Также существуют теоретические модели, показывающие, что прохождение небольших галактик-спутников через диск может влиять на структуру спиральных рукавов.
8.2. Наше место в Галактике и структура наших окрестностей
Солнце находится на расстоянии около 25 000–27 000 световых лет от центра Галактики почти точно в плоскости ее диска, между двумя крупными спиральными рукавами (рукавом Персея и рукавом Стрельца-Киля). Сейчас Солнце находится в так называемом местном рукаве (рукаве Ориона) – относительно небольшом образовании (иногда его даже называют «отростком» – spur), с которым генетически связаны некоторые яркие массивные звезды в наших окрестностях. Само же Солнце с этим рукавом непосредственно не связано – наша звезда имеет возраст почти 5 млрд лет и совершила уже много оборотов вокруг центра Галактики.
Солнце вращается вокруг центра Галактики с линейной скоростью около 220 км/с. Типичные скорости относительно близких звезд диска, также участвующих в этом вращении, 10–30 км/с. Звездная плотность в наших окрестностях составляет примерно одну звезду на 250 кубических световых лет (или 0,14 звезды на кубический парсек).
Согласно многим оценкам, Солнце находится вблизи так называемой зоны коротации, где скорость вращения звезд равна скорости движения спирального узора[8]. Поэтому наша звезда относительно редко оказывается внутри крупных спиральных рукавов, где встречается больше облаков газа и пыли, а также чаще вспыхивают сверхновые и выше интенсивность космических лучей. Некоторые ученые полагают, что это благоприятное обстоятельство может играть существенную роль в долговременной эволюции жизни на Земле.
Солнце находится вблизи зоны коротации.
В солнечной окрестности выделяются две важные структуры. Первая связана со свойствами межзвездной среды и называется Местным пузырем (Local Bubble), а вторая – с распределением ассоциаций молодых звезд (это пояс Гулда).
Пояс Гулда был идентифицирован наблюдателями несколько столетий назад. Было замечено, что распределение ярких звезд на небе не совпадает с плоскостью Млечного Пути, а может быть объяснено существованием другой плоскости, наклоненной к галактической примерно на 20 градусов. Свое название пояс получил по имени Бенджамина Гулда (Benjamin Gould), хотя он был не первооткрывателем (видимо, первым о необычном распределении ярких звезд заговорил Джон Гершель (John Herschel) в 1834 г.), но первым детально исследовал этот вопрос в 1870-е гг.
Пояс Гулда образован ассоциациями молодых звезд.
Пояс представляет собой вытянутый тор размером 1000–2500 световых лет, центр которого лежит примерно в 400–500 световых годах от нас. Эта структура образована несколькими десятками ассоциаций молодых звезд, ее возраст составляет несколько десятков миллионов лет, так что Солнце оказалось внутри него совершенно случайно. Полная масса пояса составляет около миллиона солнечных масс, бóльшая ее часть приходится на межзвездный газ.
Относительно небольшой возраст пояса приводит к тому, что в нем присутствует довольно много массивных звезд. Благодаря этому темп вспышек сверхновых в нашей окрестности оказывается примерно втрое выше среднего на аналогичном расстоянии от центра Галактики (вне спиральных рукавов). Примерно две трети сверхновых в окрестности 1000–2000 световых лет в последние миллионы лет связаны с поясом Гулда. Это, в свою очередь, ведет к повышенному содержанию молодых нейтронных звезд в наших окрестностях. В абсолютных значениях это небольшая величина (десятки объектов), но присутствие в ближайшем солнечном окружении (примерно до тысячи световых лет) нескольких молодых горячих нейтронных звезд (так называемая «Великолепная семерка») связывают именно с поясом Гулда.
Причины возникновения такой структуры до конца не ясны. Наиболее вероятной считается модель, в которой пояс возник в результате падения крупного молекулярного облака на галактический диск. Наблюдения показывают, что в Галактике может быть много подобных образований.
Местный пузырь – локальная область пониженной плотности межзвездной среды, заполненная горячим газом.