Взаємоді́ючі гала́ктики — галактики, розташовані в просторі досить близько, щоб взаємна гравітація істотно впливала на форму, рух речовини й зір, на процеси зореутворення, а в деяких випадках — і на обмін речовиною між галактиками. Для взаємодіючих галактик характерна наявність «хвостів», «мостів» і викидів речовини.

Зіткнення галактик є звичайним явищем в еволюції Всесвіту. Галактики мають розміри порядку сотень тисяч світлових років, а в групах галактик відстані між ними вимірюються мільйонами світлових років.

Історія дослідження

Розподіл галактик у просторі дуже неоднорідний, вони об'єднуються в пари, групи та скупчення галактик. Ще наприкінці XVIII в. В.Гершель виявив, що багато туманностей, які він абсолютно правильно вважав подібними до Чумацького Шляху зоряними островами, входять до складу подвійних і кратних систем. Деякі туманності виявилися навіть пов'язаними слабосвітними перемичками. У першій половині ХХ століття Е.Габбл і В.Бааде побилися об заклад на 20 доларів, хто перший доведе, що знайдена ним галактика — поодинока. Парі ніхто не виграв, оскільки завжди по сусідству виявлялася інша, яка могла бути фізично пов'язаним супутником.

Відомий радянський астроном Борис Олександрович Воронцов-Вельямінов першим почав дослідження таких об'єктів, дав їм назву «взаємодіючі галактики». Він описав і заніс до каталогів тисячі взаємодіючих систем, зокрема рідкісні за своєю структурою та формою галактики, незвичайний зовнішній вигляд яких досі бентежить астрономів.

Взаємодіючі галактики почали систематично спостерігати в 50-і роки Е.Гольмберг, Б. А. Воронцов-Вельямінов, Ф.Цвіккі і Х.Арп. Однак аж до 70-х років, коли розвиток теорії і комп'ютерної техніки дозволив створити реалістичні моделі гравітаційної взаємодії галактик, цим об'єкта не приділяли великої уваги.

Перша спроба моделювання тісного зближення галактик була здійснена ще в 1941 р. Шведський астроном Е.Гольмберг скористався тим, що освітленість від джерела зменшується, як і гравітаційна сила, обернено пропорційно квадрату відстані до спостерігача, і розглянув відносний рух двох галактик, кожна з яких була представлена ​​набором рухомих лампочок. Вимірюючи освітленість у різних точках модельної галактики за допомогою фотоелемента, Хольмберг пересував лампочки відповідно до неоднорідностей такого «гравітаційного» поля. За допомогою такого нестандартного підходу він передбачив деякі результати, отримані набагато пізніше за допомогою комп'ютерного моделювання.

1972 року з'явилася робота братів Тумре, в якій було наочно показано, що морфологічні особливості галактик природним чином можуть бути пояснені гравітаційною взаємодією між ними. Ця робота стала основою для нового підходу до проблеми формування структури сучасних галактик. Відповідно до цього підходу, характеристики галактики визначаються не початковими умовами, а подальшою її еволюцією, під час якої галактика активно взаємодіє зі своїм оточенням (іншими галактиками, карликовими супутниками, міжгалактичним середовищем). Один з братів — А.Тумре — навіть висловив припущення, що всі еліптичні галактики утворено шляхом злиття спіральних (це припущення отримало назву «гіпотеза злиттів»). Зараз вважається, що на властивості галактик впливають і початкові умови, і подальша еволюція, однак співвідношення між цими факторами залишається поки невідомим.

Алар Тумре зробив добірку з 11 незвичайних галактик-мержерів, які, у певній послідовності, показують різні стадії взаємодії — від першого близького прольоту й «розпускання хвостів» до подальшого злиття в єдиний об'єкт з «вусами», «петлями» й «клубами диму».

Але справжній прорив у дослідженнях забезпечив космічний телескоп імені Габбла. Одна з реалізованих на ньому дослідних програм полягала в тривалому — до 10 діб поспіль — спостереженні двох невеликих ділянок неба в Північній і Південній півкулях неба. Ці знімки отримали назву глибоких полів «Габбла». На них видно велику кількість далеких галактик. До деяких із них більше 10 мільярдів світлових років, а значить, вони на стільки ж років молодші сусідів нашої Галактики. Результат досліджень зовнішнього вигляду, або, як кажуть, морфології далеких галактик, виявився приголомшливим. Як би Едвін Габбл мав під рукою тільки зображення галактик з глибоких полів, навряд чи він побудував би свій «камертон». Серед галактик віком близько половини віку Всесвіту майже 40 % об'єктів не вкладаються в стандартну класифікацію. Значно більшою виявилася й частка галактик з помітними слідами гравітаційної взаємодії, а значить, нормальні галактики мали в «молодості» пройти через стадію сильної взаємодії чи злиття з сусідами. У щільнішому середовищі раннього Всесвіту зіткнення й злиття виявилися найважливішим фактором еволюції галактикСтолкновения галактик.

Характер взаємодії Характер взаємодії залежить від багатьох факторів. Наприклад, від того, чи має галактика диск, чи багато в ній міжзоряного газу, на яку відстань підходить до неї сусідня галактика, в якому напрямку і з якою швидкістю вона рухається, як орієнтована її орбіта. Тому форми взаємодіючих систем різноманітні. Але можна зробити один висновок: якщо галактики не випадково зустрілися в просторі, а утворюють систему, то їх взаємодія рано чи пізно має призвести до тісного зближення й подальшого злиття. Цей процес може тривати понад мільярд років. Такі взаємодіючі системи справді були виявлені серед відомих галактик. У них спостерігаються подвійні, рідше кратні ядра, світлі струмені, колись викинуті в міжгалактичний простір речовини або надзвичайно протяжні зоряні «корони».

Взаємодія грає дуже велику роль в еволюції зоряних систем. Багато галактик мали б відчути сильну взаємодію, що завершилася злиттям, у далекому минулому. Зараз їх зовнішній вигляд може бути абсолютно нормальний, і тільки особливі дослідження дозволяють запідозрити колись пережиті ними бурхливі процеси. Так, найближча до нас радіогалактика Центавр А вважається результатом злиття еліптичної системи з дисковою, міжзоряний газ який утворив велетенський газопиловий диск. Він розташований до нас ребром і тому його видно на фотографіях як темну смугу, що перетинає галактику. Можна припустити, що мільярди років тому взаємодія і злиття галактик відбувалися значно частіше — адже багато галактик вже встигли до цього часу злитися в єдині системи. І дійсно, проведені на Космічному телескопі імені Габбла спостереження далеких і слабких галактик, світло від яких летіло до нас мільярди років, показали, що серед них підвищена частка взаємодіючих систем.

Взаємодія галактик не обмежується простою зміною їх структури або типу. Взаємний вплив навіть порівняно далеких галактик часто призводить до спалаху зореутворення в одній з них, або в обох. Припливна взаємодія галактик сприяє формуванню масивних хмар газу. Крім того, відносні швидкості хмар зростають, і вони частіше зіштовхуються одна з одною. Саме ці процеси багато в чому визначають інтенсивність народження зір. Нарешті, серед взаємодіючих галактик досить багато систем з активними ядрами. За сучасними уявленнями, для активності ядра потрібен масивний компактний об'єкт у центрі галактики і газ, який може вільно падати на нього.

Роль досліджень взаємодіючих галактик

Дослідження взаємодіючих галактик дає можливість детально вивчити зіткнення велетенських зоряних систем, які відбуваються в природі. Це один з найбільш грандіозних процесів у Всесвіті, і саме він, як вважається, може призводити до народження об'єктів і явищ абсолютно нового типу (квазарів, радіогалактик, надпотужних джерел інфрачервоного випромінювання, і т. д.). Крім того, при гравітаційному збурені різні підсистеми галактик (газовий і зоряний диски і т. д.) починають відігравати активну роль (наприклад, поглинати енергію) і, отже, дають про себе нову інформацію.

Квазари — результат зіткнення галактик

Спостереження, виконані в інфрачервоному діапазоні електромагнітного спектра за допомогою Космічного телескопа імені Габбла, дозволи з'ясувати деякі особливості походження квазарів, найяскравіших об'єктів у нашому Всесвіті. Деякі дослідники вважають, що квазари виникають тоді, коли галактики зіштовхуються одна з одною.

Квазари випромінюють стільки енергії, як сукупно трильйон зір. За останні два десятиліття дослідники дійшли висновку, що основну енергію випромінювання квазарів забезпечують надмасивні чорні діри, які містяться в ядрах далеких галактик. Але звідки надмасивні чорні діри беруть паливо? Є припущення, що таку енергію можна отримати внаслідок злиття двох галактик.

«Спостереження Габбла показують, що активність квазара в ранньому Всесвіті забезпечують галактики, які стикаються, а потім зливаються в одне ціле».

Ґлікман з колегами спостерігав за допомогою ширококутної камери (Wide Field Camera 3) Космічного телескопа імені Габбла. 11 квазарів в епоху максимуму зореутворення у Всесвіті, тобто 12 млрд років тому. Ці квазари оточені пилом, що закриває їх видиме світло, але інфрачервоні промені вказує: зіткнення галактик приводить до зростання активності чорної діри.

Моделювання

Проблема передбачення руху великої кількості масивних тіл, що взаємодіють за законом всесвітнього тяжіння, отримала в фізиці назву задачі N тіл. Розв'язати її можна тільки методами чисельного моделювання. Задавши маси і положення тіл у початковий момент, можна за законом тяжіння обчислити діючі на них сили. Вважаючи ці сили незмінними протягом короткого відрізка часу, можна розрахувати нове положення всіх тіл за формулою рівноприскореного руху. А повторюючи цю процедуру тисячі й мільйони разів, можна змоделювати еволюцію всієї системи. У галактиці на кшталт нашої понад сто мільярдів зір. Безпосередньо розрахувати їх взаємодію не в змозі навіть сучасні суперкомп'ютери. Доводиться вдаватися до різного роду спрощень і хитрощів. Наприклад, можна представляти галактику не реальною кількістю зір, а такою, яку в змозі обрахувати комп'ютер. У 1970-х роках брали всього по 200—500 точок на галактику. Але розрахунок еволюції таких систем призводив до нереалістичних результатів. Ішла боротьба за збільшення кількості тіл у моделях. Зараз зазвичай беруть по кілька мільйонів зір на галактику, хоча в окремих випадках при моделюванні зародження перших структур у Всесвіті використовують до десяти мільярдів точок.

Інше спрощення полягає в наближеному розрахунку взаємного тяжіння тіл. Оскільки сила тяжіння швидко зменшується з відстанню, тяжіння кожної далекої зорі не обов'язково обчислювати окремо. Далекі об'єкти можна згрупувати, замінивши однією точкою сумарної маси. Ця методика отримала назву Tree code (від — дерево, оскільки групи зір збираються в складну ієрархічну структуру). Зараз це найпопулярніший підхід, який значно прискорює обчислення.

Надалі астрономи розробили спеціалізований процесор , який дуже ефективно розраховує взаємне гравітаційне тяжіння N тіл. Чисельне розв'язання задачі N тіл підтвердило ідею братів Тумре про те, що дві спіральні галактики при зіткненні можуть злитися в один об'єкт, дуже схожий на еліптичну галактику. Незадовго до отримання цього результату відомий астроном Жерар де Вокулер на симпозіумі Міжнародного астрономічного союзу скептично заявляв: «Після зіткнення ви отримаєте зламаний автомобіль, а не новий тип автомобіля». Але в світі взаємодіючих галактик два автомобілі, які зіткнулися, як це не дивно, перетворюються на лімузин.

Наслідки злиття галактик виявляються ще більш вражаючими, якщо врахувати наявність у них газової складової. На відміну від зоряної складової газ може втрачати кінетичну енергію: вона переходить в тепло, а потім — у випромінювання. При злитті двох спіральних галактик це призводить до того, що газ «стікає» до центру продукту злиття — мержера. Частина цього газу дуже швидко перетворюється на молоді зорі, що призводить до феномену надяскравих інфрачервоних джерел.