Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную

Хаббл не ответил на эти математические вопросы, но сумел стронуть всю махину с мертвой точки. Одним из несложных, но существенных нововведений стало то, что он систематизировал формы галактик и составил из них диаграмму в форме камертона. Он дал разновидностям галактик символьные обозначения: E1 — E7 для эллиптических галактик, Sa, Sb, Sc — для спиральных, SBa, SBb, SBc — для спиральных с перемычкой. Его классификация была эмпирической, то есть не базировалась на какой бы то ни было законченной теории или системе измерений. Но многие важные области науки — и среди них геология и генетика — начинались как эмпирические классификации. Если у вас есть упорядоченный список, можно начинать разбираться с тем, как разные образцы взаимодействуют и дополняют друг друга.

Некоторое время считалось, что эта диаграмма, возможно, иллюстрирует этапы развития галактик, которые начинают свое существование в виде плотных эллиптических звездных скоплений, а затем расползаются и формируют либо спиральные рукава, либо спиральные рукава и перемычку в зависимости от сочетания параметров — массы, диаметра и скорости вращения. После этого спираль постепенно раскручивается и теряет плотность, пока наконец не утрачивает большую часть структуры и не становится неправильной. Безусловно, идея была привлекательная, ведь аналогичная диаграмма спектральных типов звезд Герцшпрунга — Рассела в какой-то степени отражает звездную эволюцию. Однако в настоящее время считается, что схема Хаббла скорее каталог возможных форм галактик, а сами они не развиваются столь упорядоченно.

* * *

По сравнению с бесформенными пятнами эллиптических галактик математическая правильность спиральных и спиральных с перемычкой смотрится очень эффектно. Почему многие галактики имеют спиральную форму? Откуда примерно у половины из них берется центральная перемычка? Почему у остальных ее нет? Может показаться, что ответить на эти вопросы относительно просто: составить математическую модель, просчитать ее, лучше всего на компьютере, и посмотреть, что получится. Поскольку звезды, составляющие галактику, расположены достаточно свободно и не движутся с околосветовыми скоростями, ньютоновская гравитация должна описывать их поведение достаточно точно.

Было рассмотрено множество подобных теорий. Ни одно из объяснений не получило общего признания и не стало лидером, но есть несколько теорий, которые соответствуют наблюдаемым данным лучше, чем остальные. Всего лишь 50 лет назад большинство астрономов считали, что спирали формируются под действием магнитных полей, но мы сегодня знаем, что поля эти слишком слабы, чтобы объяснить существование спиральных галактик. Сегодня астрономы сходятся во мнении, что спиральная форма формируется в основном под действием гравитационных сил. Другой вопрос, как именно это происходит.

Одну из первых теорий, завоевавших широкое признание, предложил Бертиль Линдблад в 1925 году, и основана она на особом типе резонанса. Подобно Пуанкаре, Линдблад рассматривал частицу на почти круговой орбите во вращающемся гравитационном ландшафте. В первом приближении эта частица колеблется относительно окружности с конкретной естественной частотой. Резонанс Линдблада возникает, когда отношение этой частоты к частоте, с которой частица встречает последовательные гребни гравитационного ландшафта, представляет собой простую дробь.

Линдблад понимал, что рукава спиральных галактик не могут представлять собой перманентные структуры. В принятой модели движения звезд в галактике скорости звезд варьируются в зависимости от радиального расстояния. Если бы в составе рукавов все время были одни и те же звезды, эти рукава свернулись бы еще плотнее, как слишком туго заведенная часовая пружина. Конечно, мы не можем наблюдать галактику миллионы лет подряд, чтобы увидеть, уплотняется ее спираль или нет, но галактик очень много, и среди них не видно сильно закрученных. Линдблад предположил, что звезды раз за разом то входят в спиральные рукава, то выходят из них.

В 1964 году Цзяцзяо Линь и Фрэнк Шу предположили, что спиральные рукава представляют собой волны плотности, в которых звезды скучиваются временно. Волна продолжает движение, захватывая новые звезды и оставляя предыдущие позади, примерно как океанская волна проходит по морю сотни километров, но не несет с собой воды (пока не подойдет к берегу, где вода скапливается, поднимается и обрушивается на берег). Вода просто движется вверх-вниз, когда по ней проходят волны. Бертиль Линдблад и Пер Олоф Линдблад подхватили и развили эту идею. Оказывается, резонанс Линдблада вполне способен создавать такие волны плотности.

Основная альтернативная теория состоит в том, что спиральные рукава — это скачки уплотнения в межзвездной среде, где накапливается вещество и запускается формирование звезд, когда среда становится достаточно плотной. Вполне возможно и сочетание обоих механизмов.

* * *