Эволюция галактик

Эволю́ция гала́ктик, изменение со временем массы, формы, размера, состава галактик, содержания различных химических элементов в их звёздах и межзвёздном газе начиная с самых ранних этапов их существования.

Возраст Вселенной, по современным оценкам, составляет около 13,8 млрд лет. Галактики из Местной группы имеют возраст около 13 млрд лет. Большинство галактик – и близкие, и далёкие – начали формироваться примерно в одно время, спустя менее 500 млн лет после Большого взрыва (кроме отдельных карликовых галактик со своей историей). Свет от далёких галактик идёт до наблюдателя миллиарды лет. Поэтому наблюдения галактик, находящихся далеко от нас и характеризующихся большими значениями красного смещения, позволяют получить информацию о раннем этапе их эволюции. На примере галактик, расположенных ближе к нам, можно изучать более поздние этапы этого процесса (рис. 1).

На ранних стадиях своей эволюции галактики, вероятно, выглядят как диски, более чем наполовину состоящие из газа; в них активно идёт образование новых звёзд, пока газ является достаточно холодным для коллапса и фрагментации. За первый 1 млрд лет эволюции самые массивные галактики в основном заканчивают формирование своего звёздного состава; вероятной причиной такой ранней остановки звездообразования считается запуск активного ядра галактики и разогрев излучением ядра газовой компоненты диска. Эти активные ядра в молодых массивных галактиках наблюдаются как квазары с красными смещениями ${\displaystyle z\geqslant 2}$. В маломассивных галактиках звездообразование всегда было менее эффективным, чем в массивных, и во многих из них оно на сравнительно слабом уровне продолжается до сих пор. Текущие темпы звездообразования (в тех галактиках, где оно не успело затухнуть) сильно коррелируют со звёздной массой галактик, причём на всех красных смещениях. Это объясняется тем, что более массивные галактики со звездообразованием содержат больше газа, из которого рождаются звёзды, причём в процессе эволюции содержание газа в них поддерживалось благодаря постоянному притоку в диски холодного газа извне.

Некоторые галактики (в ближней части Вселенной их не более нескольких процентов от общего числа) в процессе своей эволюции испытали слияния с другими, как правило менее крупными, галактиками. В результате быстрой динамической релаксации после слияния они из быстро вращающихся звёздных дисков превращаются в медленно вращающиеся звёздные сфероиды; эти галактики сейчас классифицируются как эллиптические (рис. 2). Наблюдения показывают, что именно эллиптические галактики быстро увеличивались в размере в течение последних 10 млрд лет – у самых массивных из них радиусы выросли в 4–5 раз. Такое «раздувание» при медленном наборе массы и отсутствии звездообразования может быть объяснено массовым поглощением небольших галактик-спутников с низким содержанием газа.

Бо́льшая часть галактик на протяжении всего времени своего существования сохраняет звёздный диск (спиральные галактики) и продолжает осаждать на себя газ из межгалактического пространства (рис. 3). В последние 8 млрд лет внутри старых толстых звёздных дисков у спиральных галактик сформировались более тонкие и молодые звёздно-газовые диски. Тонкие диски изначально были гравитационно неустойчивы, поэтому их динамическая эволюция может включать в себя формирование мелкомасштабных деталей структуры, таких как спиральные рукава и бары, а также центральных сфероидальных звёздных подсистем (псевдобалджей).

Химическая эволюция галактик заключается в монотонном росте содержания химических элементов тяжелее гелия в звёздах и межзвёздном газе дисков галактик. Источником новых химических элементов являются термоядерные реакции в недрах массивных звёзд (горение водорода и гелия), вспышки сверхновых звёзд (в частности, главным «поставщиком» железа являются сверхновые звёзды Ia типа). Для образования самых тяжёлых элементов вплоть до урана и тория единственным механизмом является захват нейтронов тяжёлыми ядрами, который осуществляется при слияниях нейтронных звёзд, во вспышках сверхновых звёзд II типа или в нестабильных атмосферах звёзд промежуточных масс на поздних стадиях эволюции (звёзд асимптотической ветви гигантов).

Особую роль в эволюции некоторых галактик играет рост сверхмассивных чёрных дыр в их центрах. В современную эпоху массы центральных чёрных дыр в галактиках составляют 0,2–0,3 % от массы балджа. Однако на больших красных смещениях, вероятно, это соотношение сдвинуто в пользу чёрных дыр. На красных смещениях ${\displaystyle z>6}$ наблюдаются квазары с массой чёрной дыры больше миллиарда солнечных масс, в то время как галактики вокруг них ещё не успели вырасти и имеют меньшую массу. Это даёт основания полагать, что в процессе эволюции галактик, содержащих сверхмассивные чёрные дыры, сначала формируется чёрная дыра, а уже потом вокруг неё «нарастает» диск.