Происхождение и эволюция галактик

О. К. Сильченко

Происходение
и эволюци
галати

Под редакцией
В. Г. Сурдина

Электронное издание

Москва, 2022

К68
Сильченко, Ольга Касьяновна.

Происхождение и эволюция галактик / О. К. Сильченко ; под ред. В. Г. Сурдина. — Эл. изд. — 1 файл pdf : 224 с. — Москва : ДМК Пресс, 2022. — Систем. 
требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : 
электронный.

ISBN 978-5-89818-224-3

В книге представлены современное состояние нашего знания и личные представления автора о формировании и эволюции галактик во Вселенной. Галактики — крупные 
образования, состоящие из миллиардов звезд, а также газа и пыли, — начали формироваться около 13 млрд лет назад. Наблюдения астрономов показывают, что сначала полностью сформировались самые крупные галактики, а потом очередь дошла до карликовых, в которых процесс звездообразования продолжается и в нашу эпоху. В книге 
рассказано, как и почему менялась со временем структура галактик, какими методами 
мы исследуем свойства галактик, находящихся по соседству или далеко от нас, и почему 
именно эта область наших представлений о Вселенной сейчас бурно развивается и каждый день полна неожиданных открытий.

Электронное издание на основе печатного издания: Происхождение и эволюция галактик / 
О. К. Сильченко ; под ред. В. Г. Сурдина. — Москва : ДМК Пресс, 2022. — 222 с. — ISBN 978-5- 
89818-124-6. — Текст : непосредственный.

На передней сторонке обложки: мощные джеты, вырывающиеся из окрестности сверхмассивной черной дыры в центре галактики Кентавр А (NGC 5128) в представлении художника 
L. Calçada (ESO), взявшего за основу реальное изображение этой галактики.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя 
возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-224-3
© Сильченко О. К., 2017
© Переиздание. ДМК Пресс, 2022

УДК 524
ББК 22.67
С36

УДК 524
ББК 22.67

Оглавление

Предисловие редактора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.1. Немного истории . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.2. Три кита, на которых стоит теория эволюции галактик  . . . . . . . 11

1.3. Два способа изучать эволюцию, или Что мы знаем про далекие галактики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2. Классические и современные теории формирования галактик 27

2.1. Джинсовский размер и джинсовская масса . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2. Бездиссипативный коллапс протогалактического облака . . . . . . 29

2.3. Диссипативный монолитный коллапс протогалактического 
облака . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.4. Другие модели «монолитного» коллапса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.5. Джинсовский коллапс в условиях хаббловского расширения . . . 36

2.6. Иерархическая концепция формирования галактик . . . . . . . . . . . 38

2.7. Сравнения с наблюдениями: проблемы иерархической концепции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.8. Линзовидные галактики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3. Динамические механизмы эволюции галактик . . . . . . . . . . . . . 55

3.1. Глобальные свойства современных галактик . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.2. Быстрые механизмы динамической эволюции галактик . . . . . . . 63

3.3. Вековая эволюция дисков галактик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.4. Динамическая эволюция галактик под действием окружения . . 72

4. Спектрофотометрическая эволюция галактик  . . . . . . . . . . . . . 76

4.1. Метод эволюционного синтеза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.2. Развитие метода эволюционного синтеза  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.3. Общие представления об эволюции цвета эллиптических 
галактик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.4. Подсчеты галактик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.5. Некоторые не вполне решенные проблемы эволюционного 
синтеза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.6. Что удалось узнать про эволюцию галактик на z ≤ 1 с помощью эволюционного синтеза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.7. Космическая история звездообразования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

5. Происхождение элементов и химическая эволюция галактик .106

5.1. Первичный нуклеосинтез . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

5.2. Сходятся ли данные наблюдений с теорией? . . . . . . . . . . . . . . . . 113

5.3. Нуклеосинтез в звездах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

5.4. Простая модель химической эволюции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

5.5. Химический состав звезд в Галактике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

5.6. Средний химический состав звезд и газа в галактиках разных типов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

5.7. Примеры современных моделей химической эволюции . . . . . . . 138

6. Ядра галактик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151

6.1. Звездные ядра галактик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

6.2. Газ в ядрах галактик  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

6.3. Черные дыры в ядрах галактик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

7. Возраст Вселенной и ее населения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171

7.1. Возраст подсистем Галактики и галактик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

7.2. Возраст Вселенной . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

8. Галактики на больших красных смещениях  . . . . . . . . . . . . . . .183

8.1. Как находят на небе галактики на больших z . . . . . . . . . . . . . . . 184

8.2. Какие они, галактики на больших z? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

9. Заключение: эмпирические сценарии эволюции галактик . . . .201

9.1. Эволюция размеров: возможные механизмы . . . . . . . . . . . . . . . . 202

9.2. Downsizing: от большого к малому . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

9.3. Аккреция: основной двигатель эволюции дисковых галактик? . 206

9.4. Космологические филаменты! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

9.5. Эмпирический сценарий: все начиналось с S0… . . . . . . . . . . . . . 210

Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .216

Предисловие редатора

К

аждая эпоха считает себя уникальной, и это действительно так. А в 
чем же тогда состоит уникальность нашего времени, если речь идёт об 
изучении Вселенной? До конца ХХ века астрономы могли предъявлять как 
свои достижения рост масштабов охваченного измерениями пространства: от сотен тысяч километров в эпоху Галилея до нескольких световых 
лет в XIX веке; от миллионов световых лет в начале ХХ века до миллиардов — в конце. Ясно, что в XXI веке этот экспоненциальный рост масштабов не сможет продолжаться, поскольку в пространстве-времени астрономы уже почти достигли эпохи Большого взрыва. Сейчас в астрономии происходит бурное накопление фактического материала, на смену умозрительным схемам приходит живая и детальная картина строения и эволюции нашего мира. 
С начала нынешнего века количество известных объектов Солнечной 
системы возросло от десятков тысяч до сотен тысяч, количество экзопланет — от нескольких десятков до нескольких тысяч. Если в обзорах конца 
ХХ века астрономы оперировали тысячами галактик, то сегодня в рядовой работе изучаются миллионы звездных систем, а в некоторых — даже 
сотни миллионов. Этот стремительный рост наблюдательного материала не мог не перевернуть многие представления об эволюции Вселенной.
Именно этому перевороту посвящена данная книга. Ее автор — крупный отечественный специалист в области внегалактической астрономии, 
внесший заметный вклад в наблюдение и теоретическое изучение эволюции галактик. Ольга Касьяновна Сильченко — доктор физико-математических наук, лауреат престижных научных премий, руководитель коллектива астрономов, изучающих структуру и эволюцию галактик различными методами, в том числе с помощью нашего крупнейшего 6-метрового 
телескопа БТА. Эта книга демонстрирует эволюцию взглядов на происхождение и жизнь галактик, содержит обзор самых современных фактов о 
них и собственный взгляд автора на возможное эволюционное толкование этих фактов. Книга заполняет большой пробел в наших знаниях о галактиках, поскольку на русском языке уже несколько десятилетий не публиковались подобные обзоры.
Я искренне рекомендую всем, кто интересуется современной астрономией, познакомиться с этой книгой, чтобы ощутить глубину поиска и 
уровень проблем, вставших перед теми, кто изучает историю Вселенной.

В. Г. Сурдин, декабрь 2016

Введение

Г— крупные конгломераты звезд, содержащие также некоторое — весьма разное — количество газа и пыли. Галактики — основной видимый структурный элемент Вселенной (Галактики, 2017). 
Если вы разглядываете Вселенную, то видите в ней именно галактики. Тео ретики расскажут вам, что на самом деле Вселенная состоит 
из темной материи и управляется темной энергией. Но в наблюдениях мы видим и прослеживаем структуры во Вселенной именно через исследование галактик. Поэтому наблюдательное исследование 
эволюции Вселенной — это исследование эволюции галактик. Такой 
«экстремистский» тезис я буду доказывать, обосновывать, иллюстрировать на протяжении всей этой книги.
Исследование эволюции галактик сейчас переживает бурное 
развитие в связи с развитием техники астрономических наблюдений. Тео рия пока не поспевает за наблюдательными открытиями, 
поэтому ключевые концепции приходится пересматривать достаточно часто. Я расскажу о текущем состоянии дел и немного о перспективных — весьма вероятных будущих изменениях в общепринятых взглядах на эволюцию галактик и, соответственно, на эволюцию всей Вселенной.

1.1. Немного истории

Вопросы происхождения и эволюции галактик начали ставить 
сразу, как только возникла внегалактическая астрономия. Эдвин 
Хаббл создавал свою морфологическую классификацию галактик, 
считая, что он рисует эволюционную последовательность. Если рассматривать морфологическую схему Хаббла (рис. 1.1) слева направо, 
как принято читать и писать у европейцев, то в начале эволюционной, как думал Хаббл, последовательности идут эллиптические галактики — однородные и бесструктурные сфероиды. Затем идут линзовидные галактики, у которых уже можно различить два компонен
1

1.1. Немного истории  
 7

та — плоский диск и сфероидальный балдж. А за ними следуют разнообразные спиральные галактики: у них есть и балдж, и диск, и спиральные рукава, и области звездообразования, а иногда глобальные 
бары (перемычки, пересекающие центр галактики), и множество более мелких структур. Сам Хаббл считал, что любая галактика сначала формируется как эллиптическая, а потом у нее постепенно развиваются и другие компоненты помимо сфероидального. Отголоски 
его воззрений остались в нашей современной терминологии: вслед 
за Хабблом мы до сих пор называем те галактики, что на схеме Хаббла слева, галактиками «ранних типов», а те, что справа, — галактиками «поздних типов». Впрочем, эволюционный смысл схемы Хаббла был очень быстро отвергнут, как только накопилась достаточная 
статистика измерений глобальных характеристик галактик. Во-первых, оказалось, что галактики разных морфологических типов заполняют разные интервалы масс: среди эллиптических есть и очень 
массивные, до 1012 масс Солн ца (M☉) в виде звезд, и совсем карликовые, чуть массивнее шаровых скоплений, т. е. 106–107  M☉. Спиральные же галактики бывают только «средней» массы — они встречаются в узком диа пазоне интегральных абсолютных звездных величин: примерно от MB ≈ −18 до MB ≈ −21, т. е. масса их звездного населения 1010–1011  M☉.
Невозможно вообразить себе механизм эволюции, вынуждающий эллиптическую галактику в процессе развития сбрасывать 
звездную массу, чтобы встроиться в нужный интервал светимостей 
и превратиться в спиральную галактику. Кроме того, эллиптические 
и дисковые галактики обладают принципиально разным моментом 

Рис. 1.1. Схема лассифиации галати по Хабблу 1936 года, та называема 
«вила» или «амертон» Хаббла. Рисуно А. аспаровой. Фото: NASA/ESA.

 1. Введение

импульса: эллиптические вращаются очень медленно или почти совсем не вращаются, спиральные же демонстрируют весьма значительный момент. Откуда они его могут взять на промежуточных стадиях эволюции? В схеме Хаббла указаний на это не было.
К 1970-м годам среди астрономов утвердилось мнение, что галактики разного морфологического типа имеют разные начальные 
условия и сценарии формирования, поэтому не могут превращаться 
друг в друга. Любопытно, что это мнение продержалось недолго. Уже 
к середине 1990-х годов вновь возникла идея эволюционной трансформации морфологических типов, но теперь вектор направления 
эволюции развернулся в противоположную сторону: сейчас теоретики считают, что сначала образуются чисто дисковые галактики 
(т. е. спиральные совсем поздних типов), потом у них в ходе вековой 
(т. е. медленной, постепенной) эволюции нарастают балджи, а потом они и вовсе сливаются друг с другом и в результате «мержинга» 
(англ. merge — объединяться, сливаться) начинают новую жизнь уже 
как сфероидальные эллиптические галактики.
Однако чтобы образовать любую звездную структуру, нужны 
сами звезды. Что касается основного элемента процесса формирования всех типов галактик, т. е. образования звезд, то в середине 
XX века существовали две конкурирующие концепции: космогония 
Дж. Джинса, для которой ключевое слово — «конденсация», и космогония В. А. Амбарцумяна, ключевое слово — «разлет». Согласно концепции Джинса, звезды (и галактики) образовывались в результате 
гравитационного коллапса (сжатия) и сопутствующей ему фрагментации газовых облаков. Механизм этого процесса — гравитационная неустойчивость — был совершенно понятен всем исследователям; источники энергии для поджига термоядерных реакций в звездах тоже вполне традиционны и хорошо изучены в рамках классической термодинамики. Концепция же Амбарцумяна вдохновлялась 
загадочной тогда колоссальной энергетикой активных ядер галактик. Предполагалось, что в них существует некое «дозвездное вещество» (сокращенно называемое «Д-телами»), которое обладает кучей 
неизвестных свойств, поскольку сама природа его неизвестна, а также одним известным свойством: оно само по себе разлетается (взрывается) с мощным выделением энергии, и из его брызг и образуются 
звезды. Таким образом, предполагалось, что изначально было ядро 
галактики, а потом вокруг него уже надстраивались все остальные 

1.1. Немного истории  
 9

структуры галактики. Несмотря на энтузиазм и талант Амбарцумяна и его сотрудников и многолетние усилия большой и хорошо 
оснащенной Бюраканской обсерватории в Армении, детализировать 
природу «дозвездного вещества», источник его энергетики и механизм его разлета так и не удалось. В итоге окончательно победила 
концепция Джинса.
Любопытная и вполне оригинальная космогоническая концепция развивалась в прошлом веке и в стенах Государственного астрономического института (ГАИШ) МГУ. Профессор Б. А. Воронцов-Вельяминов, увлекавшийся взаимодействием галактик и прак тически открывший взаимодействующие галактики как класс, был вдохновлен 
структурой близкой спиральной галактики M 51 (рис. 1.2), у которой 
крупный спутник виден прямо на конце спиральной ветви. Воронцов-Вельяминов составил каталог взаимодействующих галактик, где 
обозначил M51 первым номером, VV1, и подобрал еще целую коллекцию похожих галактик — взаимодействующих галактик «типа M51». 
Он выдвинул идею, что небольшие галактики второго поколения могут образовываться в результате гравитационного (приливного) вза
Рис. 1.2. M51 — галатиа со спутниом, наблюдаемым в проеции на спиральную ветвь. Фото: осмичесий телесоп «Хаббл» (NASA/ESA).

 1. Введение

имодействия крупных газовых дисков, в их глобальных приливных 
структурах: спиральных ветвях, «мостах», «хвостах» и т. д. В свое время эта концепция не получила достаточного резонанса. Однако уже 
много позже в приливных хвостах взаимодействующей пары галактик NGC 4038/NGC 4039 («Антенны», рис. 1.3) Пьер-Алан Дюк и Феликс Мирабель (Duc, Mirabel, 1997) обнаружили молодые звездные 
суперкомплексы массой до миллиарда масс Солнца. Их в конце концов признали новорожденными карликовыми галактиками, и сейчас 
уже выделен целый класс таких галактик — «приливные карлики». 
Это единственный тип галактик, про который все согласились, что в 
них нет темной материи. Так идея Воронцова-Вельяминова неожиданно получила наблюдательное подтверждение.

Рис. 1.3. Сливающиес галатии «Антенны». Фото: осмичесий телесоп 
«Хаббл» (NASA/ESA).

1.2. Три кита, на которых стоит теория эволюции галактик  
 11

1.2. Три кита, на которых стоит теория эволюции галактик

Все исследования формирования и эволюции галактик опираются прежде всего на физическую модель. Хотя в перспективе это 
должна быть единая, самосогласованная модель, но исторически 
сложилось так, что до сих пор практически независимо рассматривается три класса физических механизмов, формирующих и изменяющих структуру и наблюдаемые характеристики галактик — их 
размер, блеск, цвет, внутренние движения. Эти три класса механизмов — три кита, на которых покоятся (или, напротив, быстро изменяются) наши представления об эволюции галактик, — следующие:
— динамическая эволюция, 
— спектрофотометрическая эволюция,
— химическая эволюция галактик.
В классическом варианте теории динамическая эволюция понималась прежде всего как ранняя стадия эволюции, относящаяся 
собственно к формированию галактики. Эта традиция объяснялась 
тем, что большинство галактик вокруг нас выглядят как динамически устойчивые, прорелаксировавшие системы; судя по всему, в них 
выполняется теорема вириала, 2T + U = const, где T — кинетическая 
энергия системы, а U — ее потенциальная энергия. Поэтому сначала 
предполагалось, что бурные динамические процессы, оформившие в 
основном структуру галактик, относились к первому миллиарду лет 
их жизни, к эпохе коллапса протогалактического газового облака и 
основного звездообразования в нем. А позже динамические эффекты лишь слегка изменяли структурные характеристики: например, 
из-за увеличения хаотических скоростей старых звезд («динамический нагрев») могли утолщаться диски галактик. 
В последние десятилетия общее мнение о важности динамических процессов в структурной эволюции современных галактик стало радикально меняться. Прежде всего, зрелищный феномен взаимодействия галактик, хотя и достаточно редкий в нашу эпоху, все же 
навел астрономов на мысль, что галактики могут сливаться, а в давние времена, когда плотность вещества в расширяющейся Вселенной была выше, чем сейчас, и частота слияний тоже могла быть выше. Эту идею сейчас подхватили и успешно эксплуатируют космологи; согласно их сценариям, вся эволюция галактик — это череда последовательных слияний. Между тем, конечно, слияния («мержинг», 
как говорят западные коллеги) — это динамические катастрофы, ко

 1. Введение

торые полностью перестраивают галактику и дают начало ее новой 
жизни. Кроме катастроф, могут существовать и плавные, монотонные, но тем не менее существенные изменения в структуре галактик 
под действием разного рода динамических неустойчивостей; такие 
изменения называют «вековой эволюцией». В последнее время все 
более популярной становится идея о том, что даже такие глобальные структуры в галактиках, как бары (центральные перемычки), которые дали Хабблу основание выделить особую ветвь морфологической классификации галактик, SB-ветвь (внизу справа на рис. 1.1), на 
самом деле не являются пожизненным атрибутом галактики: в ходе 
вековой эволюции они могут возникать, потом рассасываться, потом возникать снова. Также вековая эволюция может изменять соотношение размеров балджа и диска в галактике и даже менять ее 
морфологический тип.
Спектрофотометрическая эволюция галактик — т. е. эволюция 
их светимости, цвета и спектра — определяется суммарным эффектом эволюции составляющих ее звезд. При наблюдениях мы можем 
разрешить на отдельные звезды только самые близкие к нам галактики; для подавляющего же большинства галактик доступны измерениям только интегральные потоки — сумма излучений всех звезд, 
составляющих данную галактику или данную область галактики. 
Простейшим аналогом галактик как звездных систем являются 
звездные скопления, которые состоят из звезд одного возраста и одного химического состава, но разной массы. Галактика же в общем 
случае состоит из многих поколений звезд, т. е. как бы представляет 
собой сумму гиперскоплений разных возрастов; в самосогласованной (идеальной) модели и металличность поколений должна быть 
разной в соответствии с ходом химической эволюции в галактике. 
На деле же пока более успешными, в плане сравнения с наблюдениями, являются модели звездных населений галактик с единым химическим составом для всех звезд — химическим составом, вероятно, соответствующим среднему, взвешенному по светимости звезд, 
обилию элементов в звездах галактики.
Спектрофотометрические модели галактик строятся численным интегрированием (сложением) спектров звезд, которые, в свою 
очередь, берутся из хорошо разработанной теории эволюции звезд. 
Определяющими параметрами эволюционных треков звезд на диаграмме Герцшпрунга—Рассела служат масса и металличность звезды,