Новый и неожиданный поворот в вопросе динамической устойчивости системы галактик произошел в последние годы, когда стали изучать так называемые тесные группы галактик. Это название было дано кратным галактикам, содержащим от трех до 6—7 членов и примечательных тем, что компоненты группы располагаются друг к другу очень близко, почти касаясь. Диаметр всей группы бывает обычно 30—50 кпс. При таком тесном расположений приблизительно одинаковых по величине галактик очень маловероятно, чтобы какой-нибудь член группы был оптическим, т. е. не входил в состав группы, а проектировался на нее, располагаясь ближе группы или
дальше нее.     

Первым обратившим внимание на значение тесных групп галактик для выяснения вопроса динамической ус­тойчивости систем галактик был В. А. Амбарцумян, пришедший в 1958 г. к выводу, что здесь имеются серьезные свидетельства о неустойчивости. Подробно исследовали тесные группы американские астрономы супруги Е. М. и Г. Р. Бербиджи. В их списке 1961 г. содержится девять тесных групп галактик.

Об устойчивости можно судить, сравнивая лучевые скорости членов группы. Вот, например, данные о так называемом квинтете Стефана. Эта красивая группа, изображенная на рисунке, состоит из двух эллиптических и трех спиральных галактик. До 1961 г. были измерены лучевые скорости четырех галактик из пяти. Вот они:

NGC 7317 + 7015 км/с

NGC 7318а + 6916    »

NGC 7318b + 5916    »

NGC 7319 + 6935    »

   Средняя лучевая скорость составляет +6695 км/с.. Если считать, что массы всех членов равны, то эта ско­рость равна скорости центра инерции четверки галактик и по закону Хабла (приняв постоянную Хаббла равной 75 км/с • Мпс) можно оценить расстояние до группы:

6695/75 = 89 Мпс

   Мы определим также лучевую скорость каждой галак­тики по отношению к их центру инерции:

NGC 7317 + 319 км/с,

NGC 7318а + 221    »

NGC 7318b — 779    »

NGC 7319 + 240    »

   Знак «плюс» означает, что галактика удаляется быстрее, а знак «минус» — медленнее, чем центр инерции.

Для исследования устойчивости нужно вычислить ки­нетическую и потенциальную энергию группы и сравнить их. Как и в случае двух тел, если, сумма кинетической и половины потенциальной энергий группы окажется рав­ной нулю, то это будет показывать, что группа устойчи­ва, и, более того, сохраняет в среднем неизменный размер. Если эта сумма больше нуля, то группа имеет склон­ность к расширению. Если сумма кинетической энергии и всей потенциальной энергии равна нулю или положительна, то расширение системы не будет временным, а завершится распадом.

Кинетическая энергия группы равна сумме кинетиче­ских энергий всех ее членов, вычисляемых при помощи выражения (m11))2/2, в котором, как и в случае задачи двух тел, υ1 означает скорость относительно центра инерции, а m1 — массу галактики. Мы уже предположили массы галактик одинаковыми. Будем на основании таблицы (массы Галактик) считать их равными 3 • 1044 г. Тогда кинетическая энер­гия группы составит

1,2 • 1053 Дж.      (1)

На самом деле кинетическая энергия больше, так как  мы приняли во внимание только один компонент скоро­сти — лучевую скорость. Два других компонента скорости, лежащие в картинной плоскости, теоретически равноправны с лучевой, так что вся ожидаемая кинетическая энергия в три раза больше и равна

3,6 • 1053Дж.       (2)

   Потенциальная энергия группы равна сумме потен­циальных энергий всех пар, которые можно составить из галактик членов группы. Потенциальная энергия каждой пары равна выражению m1+m2=(4π2/G)·(α3/P2), в котором P — расстояние между галактиками пары и должно вычисляться по фор­муле (m1 υ12/2)-(Gm1m2/R) = 0. В этой формуле r—расстояние от нас до труп­пы, равное, как мы отмечали, 89 Мпс, а α —угловые рас­стояния между галактиками. Последние легко измеряются по фотографиям.

Из четырех галактик можно составить шесть различ­ных пар. Вычислив для каждой пары потенциальную энергию и просуммировав, мы найдем, что потенциальная энергия системы равна

-2,8 1052 Дж.       (3)

   Но опять-таки и здесь, как это было с кинетической энергией, нужно внести поправку. Это связано с тем, что вычисленная по формуле R = r·tg·(α/2) величина не есть расстоя­ние между двумя галактиками. Она равна проекции это­го расстояния на картинную плоскость. Самого же рассто­яния мы не знаем. Поэтому и здесь мы должны говорить об ожидаемом расстоянии.

Длина проекции отрезка на неподвижную плоскость в зависимости от направления отрезка может быть раз­лична и принимать значения от нуля до длины самого отрезка. Если считать все ориентации отрезка равноверо­ятными, то можно подсчитать, что средняя величина дли­ны проекции равна 2/π длины самого отрезка. Поэтому ожидаемое расстояние между двумя галактиками равно вычисленной по формуле R = r·tg·(α/2) величине, деленной на 2/π. Так как в выражении для потенциальной энергии рассто­яние стоит в знаменателе, то ожидаемая потенциальная энергия каждой пары получится из вычисленной, после умножения на 2/π и, равным образом, ожидаемая потен­циальная энергия всей группы равна выражению (3), умноженному на 2/π. Итак, ожидаемая потенциальная энергия равна

— 1,8 · 1052 Дж.    (4)

   Сравнивая (2) и (4), мы видим, что сумма кинети­ческой и потенциальной энергий положительна и притом значительна по величине, так что группа галактик долж­на быстро распасться. Даже если учесть, что мы сравни­вали ожидаемые кинетическую и потенциальную энергии, а не действительные, которые нам неизвестны, и предположить, что имеет место самый крайний, почти невероятный случай, когда компоненты скоростей галактик в картинной плоскости равны нулю и все проекции от­резков, соединяющих две галактики, на луч зрения рав­ны нулю, то и тогда кинетическая энергия, равная (1), после сложения с потенциальной энергией, равной (43), даст величину, большую нуля.

Это означает, что распад группы представляется неиз­бежным. Но это не Значит, что должны обязательно ра­зойтись все члены группы. В данном, например, случае у одной из галактик, именно у NGC 7318 b, лучевая скорость сильно отличается от лучевой скорости трех осталь­ных. Эта галактика как бы вылетает из группы со ско­ростью более 1000 км/с по отношению к трем другим галактикам. После ее ухода оставшаяся тройная систему будет, по-видимому, устойчивой. В ней лучевые скорости по отношению к своему центру инерции равны всего + 59, — 39 и —20 км/с.  Эти величины в десять и более раз меньше тех, которые мы имели, когда рассматривали четыре члена группы. Так как кинетическая энергия про­порциональна квадрату скорости, то величина всей ожи­даемой кинетической энергии группы получится более чем в сто раз меньшей, а именно, равной

2,4 • 1051 Дж,      (5)

тогда как потенциальная энергия хотя и изменится вслед­ствие уменьшения числа пар (вместо шести три пары), но далеко не во столько раз: ее ожидаемая величина будет равна

-7·1051 Дж.      (6)

   Теперь сумма кинетической .и потенциальной энергий оказывается отрицательной и, значит, система устойчива.

Итак, если бы группа состояла только из трех галактик, NGC 7317, NGC 7318а и NGC 7319, то ее можно было бы считать устойчивой. Принадлежность к этой группе галактик NGC 7318b заставляет изменить мнение и счи­тать группу неустойчивой. При этом мы делаем вывод, что NGC 7318b вылетает из этой группы со скоростью около 1000 км/с. Такой вывод имеет большие последствия для наших представлений о происхождении галактик и групп галактик, потому что действиями обычных сил тяготения никак нельзя объяснить появление столь боль­шой скорости у NGC 7318b по отношению к другим трем галактикам группы. В результате взаимодействий сил тяготения одна из галактик может получить скорость, равную критической или немного большую, и уйти из группы. Но критическая скорость для NGC 7318b, как это нетрудно подсчитать, приблизительно равна 250 км/с. Совершенно невозможно, чтобы в результате взаимодей­ствий с другими галактиками группы одна из галактик группы получила скорость, в четыре раза большую кри­тической. Следовательно, должны действовать какие-то иные силы, отличные от сил тяготения, и притом настолько мощные, чтобы придать галактике, состоящей из де­сятков миллиардов звезд, скорость около 1000 км/с Не­возможно себе представить, чтобы такие силы могли дей­ствовать между галактиками в то время, когда галактики уже отделены друг от друга значительными расстояния­ми. Поэтому В. А, Амбарцумян делает вывод, что нее вещество группы галактик имеет общее происхождение, группа формировалась как нечто целое в результате очень бурного процесса, связанного с вйутриядерными силами; этот процесс завершился разбиением материи на отдель­ные галактики; а внутри галактик — на отдельные звезды, и галактикам при этом были сообщены значительные ско­рости. В этой гипотезе процесс формирования галактик и процесс формирования звезд, рисуется как бурный скоро­течный процесс, сопровождающийся выделением огромно­го количества энергии и приводящий к большим скоро­стям. По-видимому, он возможен лишь в том, случае, если материя, из которой формируются галактики и звезды в галактиках, сверхплотная, таящая в себе огромные запа­сы энергии.

В другой гипотезе, предполагающей, что звезды и га­лактики формируются из диффузного вещества, т. е. из газа и пыли, процесс формирования рисуется как медлен­ный и спокойный: звезды образуются в результате посте­пенного сжатия газовых облаков под действием силы самотяготения; только после того как этот длительный процесс зайдет достаточно далеко, газ сожмется и в цент­ре разогреется до температур в несколько миллионов гра­дусов, в нем начнутся внутриядерные процессы с выде­лением большого . количества энергии. При таком: про­цессе происхождения звезд и галактик в группе галактик, образовавшихся совместно, невозможны относительные скорости, значительно превосходящие критическую.

Должны ли мы на основании исследования квинтета Стефана окончательно высказаться в пользу гипотезы о бурном характере процесса формирования галактик и звезд? В космогонии такие поспешные выводы недопу­стимы.

Во-первых, не исключена возможность, что галактика NGC 7318b не принадлежит группе, а случайно проекти­руется на нее. Вероятность того, что галактика примерно той же величины спроектируется на такую тесную группу или случайно влетит в нее, конечно, очень мала. По-подсчетам Бербиджей эта вероятность равна 1/1500.  Но даже

столь малая вероятность, не является еще решающим ар­гументом, потому что это вероятность, подсчитанная пос­ле того как установлен факт, а не до его установления.

Поясним это соображение следующим примером. До­пустим, вам навстречу издалека идут три человека. Пока они далеко, вы подсчитываете вероятность того, что все трое окажутся рыжеволосыми. Эта вероятность, если счи­тать, что в среднем на 100 человек приходится один рыже­волосый, равна (1/100)· (1/100) · (1/100) т. е. одной миллионной. По­этому если после приближения трех человек окажется, что все они действительно рыжеволосые, то у вас имеются все основания поражаться тому, что столь маловероятное событие произошло.

Иное дело, если вы сначала увидите, что приблизив­шиеся три человека рыжеволосые, а после подсчитаете вероятность этого события. В этом случав вы не должны в. такой же мере удивляться тому, что произошло собы­тие, имеющее вероятностью одну миллионную. Ведь ваше внимание было привлечено к самому явлению уже пос­ле того, как оно произошло. Вот если теперь, после того, как вас уже заинтересовал определенный признак, подой­дет четвертый пешеход и окажется, что и он рыжеволо­сый, тогда уже действительно у вас будут все основания изумляться или выдвигать гипотезы, что местность населе­на преимущественно рыжеволосыми или что четыре пе­шехода генетически связаны, принадлежат, например одной семье.

Посмотрим, нельзя ли найти и в нашей задаче допол­нительные данные. Читатель помнит, что до 1961 г. у одной из галактик квинтета, именно у NGC 7320, лучевая скорость не была известна. Теперь эта скорость стала вызывать большой интерес. Если бы оказалось, что она составляет около +6900 —+ 7000 км/с, т. е. близка к зна­чению скоростей трех галактик, имеющих приблизительно одинаковую скорость, то можно было бы допустить, что четыре галактики образуют устойчивую группу, а пятая, NGC 7318b, случайно проектируется на эту группу. Если же скорость NGC 7320 заметно отличается от + 6900 — + 7000 км/с, то нужно будет считать, что квинтет Стефа­на — действительно неустойчивая группа, так как вероят­ность того, что две галактики, NGC 7318b и NGC 7320, случайно проектируются на группу, уже вовсе ничтожна и равна

(1/500)· (1/500) = 1/2250000

   Бербиджи измерили лучевую скорость NGC 7320. Ре­зультат оказался поразительным: +1073 км/с NGC 7320 движется со скоростью почти 6000 км/с по отношению к четырем другим галактикам квинтета. Можно сказать, что она «выстреливается» из группы.

Таким образом, исследование динамики квинтета Сте­фана приводит к аргументам в пользу гипотезы об обра­зовании галактик из сверхплотной материи в результате бурного, взрывного процесса.

Правда, остается возможность защищать гипотезу формирования галактик из диффузной материи. Для этого нужно предположить, что: 1) NGC 7320 не физический член, а проектируется на группу, 2) массы остальных четырех галактик равны не 3 • 1044 г, как мы приняли при расчетах, а в 21 раз больше. Тогда потенциальная энергия  возрастет в 441 раз, а кинетическая энергия только в 21 раз, и сум­ма их для четверки галактик станет меньше дуля. Четвер­ка окажется устойчивой. Массы 6,3 • 1045 г велики для галак­тик, но совершенно исключить возможность столь мас­сивных галактик в квинтете Стефана нельзя.

Еще более наглядный пример возможного «выстре­ливания» галактики из тесной группы галактик привел недавно Серджент. Он получил при помощи 5-метрового телескопа спектры пяти слабых галактик (видимая звезд­ная величина от 17m,0 до 17m,5) в тесной группе VV 172, обнаруженной Б. А. Воронцовым-Вельяминовым. Эта группа образует отчетливую цепочку из шести галактик, пространственная взаимная близость обра­зующих ее членов не вызывает сомнений. Шестая галактика очень слабая, ее спектр не был получен. Измеренные лучевые скорости остальных пяти галактик приведены в таблице выше.

Бросаются в глаза три особенности в распределении скоростей галактик. Первая состоит в том, что если не считать галактики В, то лучевые скорости членов группы схожи. Это подтверждает их одинаковую удаленность от нас и, следовательно, пространственную взаимную бли­зость, реальность тесной групйы. Средняя лучевая ско­рость галактик А, С, В и Е равна 15 765 км/с, что при значении постоянной Хаббла 75 км/с • Мпс, дает оценку расстояния до тесной группы 210 Мпс.

Вторая особенность заключается в том, что лучевые скорости галактик А, С, Б, Е последовательно убывают. В третьем столбце таблицы приведены лучевые скорости галактик по отношению к центру инерции четырех галак­тик А, С, Б, Е. Они свидетельствуют о вращении системы, вследствие чего галактики А и С имеют индивидуальную скорость, удаления, а галактики Б и Е индивидуальную скорость приближения. Период вращения группы легко подсчитать. Он равен 600 млн. лет —в три раза больше, чем период вращения Галактики в районе Солнца.

Третья наиболее удивительная особенность распреде­ления — резкое несоответствие лучевой скорости галак­тики В лучевым скоростям четырех других галактик. Серджент рассмотрел возможные объяснения этого явления. Предположение, что большая лучевая скорость га­лактики В может, быть вызвана гравитационным эффек­том общей относительности, должно быть отвергнуто, так как это требует недопустимо большой массы галактики — примерной миллион раз большей, чем масса нашей Га­лактики. Второе предположение состоит в том, что галак­тика В есть галактика фона, случайно спроектировавшаяся на тесную группу. Но один взгляд на последовательное расположение галактик в цепочке убеждает в малой ве­роятности такого случайного совпадения направлений на галактики. Кроме того, если галактика В есть галактика фона и ее расстояние соответствует ее лучевой скорости и равно 490 Мпс, то при данной видимой величине это должна быть сверхгигантская галактика, тогда как остальные четыре — галактики умеренной светимости. Слу­чайное расположение сверхгигантской галактики фона точно на «вакантном» месте в цепочке галактик представ­ляется еще менее вероятным.

Проанализировав все предположения, Серджент прихо­дит к выводу, что в тесной группе VV172, как и в квин­тете Стефана, наблюдается «выстреливание» галактики из тесной группы галактик. Скорость «выстреливания» здесь превышает 21000 км/с и намного превосходит аналогич­ные скорости в квинтете Стефана.

Особой интерес представляет тройная тесная группа, у которой лучевые скорости компонентов следующие:

IС 3481   +7011 км/с

Безымянная + 7229    »

IС 3483   +   33    »

IС 3483 «выстреливается из тройки со скоростью около 7000 км/с. В этой тесной группе очень важным обстоя­тельством является то, что галактика IС 3481 явно свя­зана светящимся мостом с галактикой безымянной, кото­рая в свою очередь связана светящейся дугой со спи­ральной галактикой IС 3483. Следовательно, все три ком­понента взаимодействуют и предположение, что IС 3483 очень близка к нам и случайно проектируется на пару других далеких галактик, следует отклонить.

Исследование еще семи тесных групп показывает, что четыре из них следует считать распадающимися, разле­тающимися системами, а остальные три группы, по-види­мому, устойчивы. Но неправильно было бы считать, что разваливающиеся группы подкрепляют одну гипотезу, а устойчивые группы другую, так сказать, на равных правах. Если галактики формируются из диффузной материи. в результате спокойного процесса конденсации, то не должно быть ни одной группы с разлетающимися галактиками. С другой стороны, кажется странным, чтобы при формировании тесной группы галактик в результате бурного взрывного процесса несколько членов группы по­лучали очень малые друг относительно друга скорости и только одна галактика «выстреливалась» из группы. Вы­полненные в последнее время оценки расстояний галак­тик в рассмотренных группах укрепляют предположение, что наблюдаемое явление вызвано случайным проектиро­ванием галактик, не принадлежащих тесной группе, на тесную группу.
 

Приглашаем Вас обсудить данную публикацию на нашем форуме о космосе.

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