Двойные галактикиЕсли две звезды занимают на небе очень близкое друг к другу положение, то все-таки нельзя только на основании этого утверждать, что они образуют двойную систему. Может быть так, что две звезды находятся друг от друга очень далеко, между собой не связаны, но случай­но направления на них оказались почти совпадающими, как могут для прохожего почти совпадать направления на уличный фонарь и на Луну, Такую пару звезд принято называть оптической парой. Только после того как в результате обычно многолетних наблюдений выяснится, что одна из звезд движется по орбите около другой, можно утверждать, что это не оптическая пара, что две звез­ды образуют физическую систему.

NGC 4567 и NGC 4568Как и звезды, галактики довольно часто встречаются в виде пар. Пример тесной пары галактик NGC 4567 и NGC 4568 приведен на рисунке. Но для галактик гораздо труднее выяснить, является ли наблюдаемая пара физически двойной галактикой или это только оптическая па­ра. У двойной галактики движение одного компонента по орбите вокруг другого настолько медленно, что его не­возможно заметить даже после многолетних наблюдений. Покажем это простым расчетом. Пусть физически двойная галактика находится от нас на сравнительно неболь­шом внегалактическом расстоянии 10 Мпс и наблюдаемое угловое расстояние между центрами компонентов составляет 20′. На расстоянии 10 Мпс угол 20′ соответствует приблизительно 50 кпс, следовательно, если массы галак­тик одинаковы, то расстояние каждого компонента до центра инерции двойной системы равно 25 кпс. Будем считать теперь для простоты, что орбита компонента кру­говая, а масса его равна массе нашей Галактики и составляет приблизительно 1044 г. Тогда по формуле υ1 = ( Gm2/R) мы сосчитаем, что скорость орбитального движения рав­на приблизительно 100 км/с. Это, конечно, немалая скорость. Но на расстоянии 10 Мпс скорость в 100 км/с даст за год смещение, приблизительно равное 0″,000002. Зна­чит, нужно ждать 5000 лет, чтобы смещение составило 0″,01 и могло быть обнаружено современными методами. Для того чтобы выяснить, является ли двойная система физической, недостаточно просто обнаружить смещение компонента, нужно еще убедиться в том, что движение является орбитальным, т. е. происходит по дуге. Это по­требовало бы по крайней мере еще в 100 000 раз больше­го времени наблюдений за двойной галактикой, т. е. 5 • 108 лет. Итак, обнаружить орбитальное движение у двойной галактики за приемлемый срок невозможно. Значит ли это, что мы не можем вообще утверждать, что двойные галактики существуют, что среди наблюдаемых пар га­лактик во всяком случае не все являются оптическими парами? Для решения таких задач применяется статисти­ческий метод. Используем его сначала для доказатель­ства существования физических двойных звезд. Можно считать, что звезд 8-й звездной величины на небе всего 15 000, а звезд более ярких 8000. Предположим, что все эти звезды распределены по небу приблизительно равно­мерно, но не как солдаты в строю, а в среднем равномер­но с естественными случайными отклонениями. Опреде­лим, сколько при этом можно ожидать образований таких оптических пар, у которых один компонент ярче 8т, вто­рой имеет 8-ю звездную величину, а угловое расстояние между компонентами не превосходит 1′. Для этого мыс­ленно окружим каждую из звезд ярче 8m кружочками с радиусом 1′. Суммарная площадь всех этих кружочков составит 8000 · π • (1′)2 ≈ 25 000 кв. минут. А поверхность всего неба содержит 1486 • 108 кв. минут. Значит, площадь кружочков в 5920 раз меньше площади всего неба и в них можно ожидать попадания

15000/5920 = 2,53

т. е. двух или трех звезд 8-й звездной величины. Это и будет ожидаемое число оптических пар. На самом деле число двойных звезд, у которых главный компонент ярче 8m, слабый компонент  имеет         звездную величину, а расстояние между ними меньше 1′, составляет около трехсот. Как мы подсчитали, следует ожидать, что из этого числа две или три являются оптическими парами. Зна­чит, остальные пары не могут быть результатом случай­ностей проектирования и являются физическими двойны­ми. Соотношение — 2—3 оптические пары и 300 физиче­ских двойных — показывает, что если обнаружена пара звезд с главным компонентом ярче 8m и слабым компо­нентом 8-й звездной величины при угловом расстоянии между компонентами меньшим 1′, то вероятность того, что это оптическая пара, равна 2,53/300 ≈ 0,008, а вероятность того, что это физическая двойная, равна 1 — 0,008 = 0,992. Следовательно, имеются значительные основания пола­гать, что обнаруженная двойная является физической двойной. Но полной уверенности нет, пока не будут выполнены наблюдения, подтверждающие, что движение компонента происходит по эллиптической орбите.

Мы привели простой расчет, годный для данного типа пары. Можно обосновать более общие критерии для двой­ных звезд, при выполнении которых двойная с большой степенью вероятности   является   физической   двойной.

В общем каталоге двойных звезд Айткена принят, например, такой критерий отбора; в каталог включается все двойные, у которых

lg ρ ≤ 2,8 – 0,2m

 где ρ — расстояние между компонентами в секундах, т — видимая звездная величина главного компонента. Можно сосчитать, что если пара удовлетворяет этому ус­ловию, то вероятность, что она оптическая, очень мала.

Описанный статистический метод отбора двойных звезд еще более важен для отбора двойных галактик, по­тому что для большей части двойных галактик нет воз­можности каким-нибудь способом точно установить, что это физическая двойная. Приходится опираться на неко­торый критерий, выполнение которого делает физичность двойной галактики весьма вероятной. Каталог двойных галактик был составлен шведским астрономом Хольмбергом. Хольмберг выделил все пары галактик, у которых взаимное расстояние компонентов не более чем в два ра­за превосходит сумму их диаметров.

При таком отборе в каталоге оказалось 695 двойных галактик. Можно быть уверенными, что подавляющее большинство из них физически двойные галактики. Но о каждой паре отдельно можно сказать: весьма вероятно, что это физически двойная галактика. Впрочем, в неко­торых случаях наша уверенность в том, что пара физиче­ская, становится почти полной. Это те случаи, когда мож­но обнаружить взаимодействие компонентов двойных га­лактик. Если между компонентами пары протянулись мосты или если компонент выбросил в сторону другого хвост, если взаимодействие компонентов вызывает у них разрушение фасада (по образной терминологий Б. Воронцова-Вельяминова) или если пара погружена в общий туман, то мы становимся почти уверенными в физичности пары.

Читатель спросит, почему мы все еще сохраняем сло­во «почти». Ответ на этот вопрос сложен, так как мы не дали точного определения, что следует понимать под выражением «физически двойная галактика». И не сде­лали этого потому, что в современной научной литерату­ре нет общепринятой формулировки. Пару галактик можно назвать физически двойной в трех случаях: 1) ес­ли компоненты имеют общее происхождение; 2) если компоненты динамически связаны, т. е, сумма кинетиче­ской и потенциальной энергий компонентов отрицатель­на; 3) если компоненты расположены в пространстве близко друг к другу.

Можно убедиться, что ни одно из определений не вле­зет за собой других. В самом деле, две галактики могут иметь общее происхождение. Но если в момент формирования их или в какой-нибудь следующий момент в ре­зультате действия каких-то сил, например, сил взрывного характера, галактики приобретут большую скорость одна относительно другой, так что кинетическая энергия ком­понентов будет больше абсолютной величины потен­циальной энергии, то компоненты начиная с этого момен­та перестанут быть динамически связанными, начнут расходиться, и наступит время, когда они станут весьма далеки друг от друга. С другой стороны, компоненты па­ры могут быть динамически связанными между собой, могут описывать около общего центра инерции эллипти­ческие орбиты, но это может быть результатом взаимного захвата двух галактик, ранее ничего общего между собой не имевших. Захват — редкий процесс, требующий особо­го сочетания взаимных положений и скоростей в присут­ствии третьего тела, в данном случае третьей галактики, которая способствует захвату, но не подвергается захва­ту сама. И все же захват возможен и потому динамиче­ски связанные галактики не обязательно имеют общее происхождение. Наконец, из того, что в данный момент две галактики близки друг к другу, вовсе не следует обязательно, что они имеют общее происхождение или динамически связаны. Пространственная близость может быть результатом случайного сближения ранее ничего не имевших общего галактик, которые ни в какой момент не будут динамически связаны и в дальнейшем разойдутся.

Вот поэтому, если мы примем первое или второе оп­ределение физически двойной галактики, то обнаружение взаимодействия двух галактик, определенно указывающее на их пространственную близость друг к другу, только почти убеждает, что наблюдаемая пара является физи­чески двойной.

Автор считает, что физически двойной галактикой нужно называть пару галактик в двух случаях: 1) если две галактики имеют общее происхождение и расстояние между ними существенно меньше среднего1 расстояния между соседними галактиками в той же области Вселен­ной или 2) если две галактики динамически связаны.

Компоненты физически двойной галактики находятся практически на одинаковом от нас расстоянии. Поэтому лучевые скорости, вызванные расширением пространства, у них одинаковы. Но так как компоненты совершают ор­битальные движения около общего центра инерции, луче­вые скорости у них все-таки должны быть различны, по­тому что различны в общем случае проекции орбитальных скоростей компонентов на луч зрения.

Итак, различная лучевая скорость компонентов двой­ной галактики отражает скорость орбитального движения компонентов. Но скорость орбитального движения связа­на с массой галактик. Не представляется ли счастливая возможность и в этих двойных системах определить мас­сы компонентов? Только теперь компоненты уже не звез­ды, а галактики.

Основная трудность состоит в том, что разность луче­вых скоростей компонентов равна разности не самих ор­битальных скоростей, а их проекций на луч зрения. Проекция лишь в особом случае равна самой величине, но обычно она меньше, при этом она может быть мень­ше во много раз и даже равняться нулю. Если плоскость орбит компонентов двойной галактики перпендикулярна к лучу зрения, то проекция орбитальных скоростей на луч зрения будет все время равна нулю.

Устойчивая тройная системаНаиболее интересен случай, когда луч зрения лежит в плоскости орбиты. Предположим, что компоненты двой­ной галактики принадлежат к одному и тому же типу галактик и потому можно считать их массы одинаковы­ми. Кроме того, для простоты предположим, что орбиты, по которым движутся компоненты, круговые. Тогда ве­личины орбитальных скоростей и их проекций на луч зрения определяются из рисунка ниже. Буквой О обозначен центр инерции двойной галактики, буквой S — положение наблюдателя. В момент, когда первый компонент нахо­дится в точке 1, второй компонент находится в точке 5, их орбитальные скорости направлены у первого компонента к нам, у второго компонента от нас. Следовательно, половина разности лучевых скоростей компонентов равна орбитальной скорости компонента. В тот же момент, как легко понять из следующего рисунка, радиус орбиты равен

R = r·tg(α/2)                   (1)

Лучевая скорость компонентов двойной системыгде а — наблюдаемое угловое расстояние между компо­нентами, а r — расстояние до двойной галактики. Рас­стояние можно получить по лучевой скорости двойной галактики, считая ее равной полусумме лучевых скоро­стей компонентов и используя закон Хаббла. Теперь, так как при движении по круговой орбите справедлива фор­мула (m1 υ12/2)-(1/2)(Gm1m2/R) = 0, мы, решив ее для m2 и употребляя обозначение m, поскольку массы компонентов считаем одинаковыми, получаем

m = (υ2R)/G                    (2)

Это позволит вычислить массу галактики.

Полученный таким путем результат будет верен лишь в том случае, если компоненты двойной находятся точно в положениях 1 и 5. Если же они находятся, например, в точках 2 и 6, то орбитальная скорость будет в 2 больше полуразности лучевых скоростей и радиус орби­ты будет в 2 раза больше того, которое определяется из формулы (1), так как расстояние между компонента­ми тоже будет наблюдаться в проекции. Поэтому вычис­ленная по формуле (2) масса галактики окажется преуменьшенной в ( 2)3 ≈ 3 раза. Чем ближе один из ком­понентов к точке 3, а другой соответственно к точке 7, тем в большей степени будет преуменьшаться масса галактик.

Если орбиты в двойной галактике не проходят через луч зрения, а наклонены к нему под разными углами, то соотношения будут иными, но всегда, вычисляя массу по формуле (2), мы будем в различной степени в зависимо­сти от положения компонентов на орбите преуменьшать их массу. Если бы наклон орбиты и положение компонен­тов на ней были известны, то поправочный множитель нетрудно было бы вычислить. Однако, по крайней мере в настоящее время, нет никакой возможности определить наклон орбиты и положение компонентов на орбите в двойной галактике. Поэтому поправочный коэффициент определить нельзя. Но нельзя им и пренебрегать, так как он может быть очень велик. Значит ли это, что положе­ние безвыходно?

Да, для какой-либо определенной двойной галактики положение пока безвыходное — определить ее массу по орбитальному движению компонентов невозможно. Но возможен другой подход, к которому в звездной астроно­мии прибегают, когда нельзя решить задачу для каждого индивидуального объекта. Это метод статистический.

Представьте себе, что вы имеете большое число двой­ных галактик с измеренными лучевыми скоростями обоих компонентов. Для каждой двойной мы не знаем наклона орбиты и положения на ней компонентов. Но естественно полагать, что наклоны орбит у разных двойных различны и различны положения компонентов на орбите. Более того, можно приблизительно считать, что компоненты рав­номерно распределены по орбитам, а сами орбиты равно­мерно распределены по всем возможным ориентациям в пространстве. Тогда можно теоретически вычислить сред­ний поправочный коэффициент к формуле (2). Он ока­зался равным 3,39. Значит, при применении статистиче­ского метода нужно использовать формулу

m = 3,39(υ2R)/G                  (3)

 В этой формуле υ2 средняя величина квадрата разно­сти скоростей между компонентами у рассмотренных двойных галактик, R — среднее наблюдаемое расстояние между компонентами, а искомой величиной m является средняя масса компонентов в рассмотренных парах га­лактик.

Статистический метод применил американский астро­ном Пейдж. Ему удалось получить лучевые скорости компонентов 65 двойных галактик. Средняя масса галактики получилась равной 2,5 • 1011 масс Солнца. Для выде­ленных из общего числа 45 Е- и SO-галактик средняя масса оказалась равной 4• 1011 масс Солнца, а для 20 S и I-галактик 0,3 • 1011 масс Солнца.

Теперь мы можем сравнить массы, вычисленные в двойных галактиках, с массами галактик в таблице, которая была представлена ранее в публикации «Определение масс Галактик», опре­деленными по их вращению. Сравнение масс, спиральных и неправильных галактик показывает достаточно хорошее согласие. Это убеждает, что примененные методы -обоснованы. В частности, правильно предположение, что рассмотренные Пейджем пары, составленные спиральны­ми и неправильными галактиками, являются физически двойными галактиками.

С другой стороны, привлекает внимание вывод, что эллиптические и SO-галактики в среднем более чем в 10 раз массивнее спиральных и неправильных. Если это верно, то эллиптические галактики не могут быть эволюционно связаны со спиральными и неправильными, так как в ходе эволюции масса галактики не может увели­читься или уменьшиться в 10 раз. Она остается в ходе эволюции практически неизменной.
 

Т.А.Агекян «Звезды, Галактики, Метагалактики» 1981 год. Издание третье, переработаное и дополненое

Приглашаем Вас обсудить данную публикацию на нашем форуме о космосе.