Эволю́ция гала́ктик — процесс формирования галактик, а также изменения со временем их параметров: формы, размеров, химического состава и звёздного населения. Формирование галактик началось 12—13 миллиардов лет назад, и хотя эволюция у каждой галактики идёт по-своему, известно множество общих механизмов, которые могут повлиять на эволюцию каждой галактики. Это могут быть бурные процессы, такие, как слияния галактик, а может быть, например, постепенно идущее звездообразование, при котором расходуется галактический газ и увеличивается металличность галактики. Для удобства выделяют три вида эволюции: динамическую, спектрофотометрическую и химическую, которые чаще всего рассматриваются по отдельности, как и механизмы, их порождающие.
Наблюдения множества галактик дали большое количество информации о них, в том числе об их параметрах в прошлом, так как свет от далёких галактик приходит к наблюдателям через очень большой промежуток времени. Тем не менее, в настоящее время не существует единого сценария, который естественным образом вписывается в теорию и при этом объясняет результаты наблюдений. Существует две конкурирующих теории: иерархическая концепция, предпочтительная с точки зрения теории, но не полностью соответствующую наблюдениям, и совокупность эмпирических сценариев, которые хорошо описывают наблюдения, но не всегда согласуются с существующей теорией. Первые шаги в изучении эволюции галактик сделал Эдвин Хаббл в 1920-х годах, и до сих пор теории активно развиваются и пересматриваются.
Наблюдение эволюции
Благодаря яркости галактик и проницающей силе современных телескопов астрономам для наблюдения доступно множество таких объектов. В результате существует два подхода к изучению эволюции галактик. В первом подходе используется то, что ближайшие галактики изучены очень хорошо, и это позволяет строить и проверять теоретические модели. В идеале модели должны объяснять образование именно таких галактик, которые и наблюдаются.
Второй подход опирается на изучение галактик с большими красными смещениями. Такие галактики удалены на большие расстояния и свет от них до наблюдателей идёт миллиарды лет, что сравнимо с возрастом Вселенной — например, при параметре красного смещения галактика наблюдается такой, какой она была около 8 миллиардов лет назад. Наблюдение большого количества далёких галактик на разных красных смещениях даёт представление о том, как галактики изменялись со временем — галактики на больших красных смещениях имеют иные характеристики, чем расположенные поблизости.
Однако проблема первого подхода в том, что при моделировании всё равно нужно знать, какие механизмы эволюции могли иметь место в далёком прошлом. Недостаток второго подхода состоит в том, что с его помощью наблюдаются различные галактики, а отследить изменения конкретной галактики невозможно, и моделирование всё равно оказывается необходимым. Поэтому лучшие результаты даёт сочетание обоих подходов.
Механизмы эволюции Эволюционные изменения в галактиках проявляются разным образом и идут по-своему у каждой галактики, хотя и под влиянием различных общих механизмов. Выделяют три проявления эволюции: динамическая эволюция — изменение движения составляющих галактики, спектрофотометрическая — изменение цвета, светимости и спектра галактики, химическая — изменение её химического состава. Обычно при численном моделировании свойств галактик для удобства исследуют какое-то одно из них.
Формирование галактик
Протогалактический коллапс, при котором происходит формирование галактик, стал возможен, когда Вселенная достаточно расширилась, остыла и излучение перестало постоянно ионизировать вещество. Для начала формирования должна образоваться флуктуация плотности, ведущая к гравитационной неустойчивости и сжатию протогалактического облака. Этот процесс подобен тем, которые идут при формировании звёзд, но на бо́льших масштабах, при этом происходит диссипация энергии из-за столкновений газовых облаков. Затем газ остывает, коллапсирующие области фрагментируются, в результате чего начинается звездообразование.
Массовое образование галактик имело место в первый миллиард лет после Большого взрыва, а сформировавшиеся галактики представляли собой толстые диски, содержащие много газа.
Согласно нынешним моделям, протогалактический коллапс происходил с участием электрически нейтральной тёмной материи, которая не взаимодействует с излучением: её флуктуации образовали тёмные гало вскоре после Большого взрыва, а барионное вещество стало концентрироваться под действием гравитации тёмных гало. В отсутствие тёмной материи флуктуации плотности барионного вещества нарастали бы очень медленно из-за расширения Вселенной и галактики бы не успели образоваться к настоящему времени.
Динамическая эволюция Изменение динамических свойств подсистем галактики — это динамическая эволюция. Первоначально считалось, что она имеет место в основном при формировании галактики, после чего та становится динамически устойчивой и изменяется незначительно. Однако в дальнейшем выяснилось, что галактики в течение своей жизни подвергаются не менее серьёзным динамическим изменениям, чем при формировании.
Механизмы динамической эволюции разделяют по двум признакам. Первый признак — характерное время действия механизма: границей служит время одного оборота галактики, которое в среднем составляет чуть меньше миллиарда лет. Процессы с меньшим характерным временем называются «быстрыми», с большим — «медленными», или «вековыми». Второй признак делит механизмы на идущие вне зависимости от окружения галактики — «внутренние» и на идущие под воздействием внешних сил — «внешние».
Динамическая эволюция тесно связана с изменением структуры галактики, так как динамика подсистем галактики определяет её форму — эллиптическую или дисковую, симметричную или неправильную.
Внутренняя быстрая эволюция К процессам внутренней быстрой эволюции относится только протогалактический коллапс, при котором галактика и образуется (см. выше).
Внутренняя вековая эволюция
Внутренняя вековая эволюция включает в себя множество различных процессов. Некоторые из них вызваны неосесимметричными возмущениями в галактике — главным образом барами, но это также могут быть, например, спиральные ветви или асимметричные тёмные гало. При наличии такого возмущения газовые облака и звёзды могут перераспределяться в диске галактики и обмениваться моментом импульса. Благодаря этому могут происходить, например, такие изменения, как появление колец, где газ концентрируется и активизируется звездообразование, наращивание балджа или увеличение дисперсии скоростей звёзд в диске. Сам бар, в свою очередь, может появляться и исчезать без каких-либо внешних воздействий.
Внутренняя вековая эволюция может иметь и другие причины. Например, молодые массивные звёзды создают мощный звёздный ветер, который разгоняет газ до больших скоростей, а когда эти звёзды вспыхивают как сверхновые, из-за излучения происходит нагрев газа. Также разогреть газ может излучение активного галактического ядра. При высокой температуре газа звездообразование временно останавливается, а при слишком больших скоростях газа образуется галактический ветер и газ начинает покидать галактику — такой эффект называется отрицательной обратной связью (). С другой стороны, обратная связь может быть и положительной (): вспышка сверхновой может привести к сжатию близлежащих газовых облаков, что вызовет звездообразование в них.
Внешняя вековая эволюция
Механизмы внешней вековой эволюции связаны со взаимодействием галактик друг с другом. При близких прохождениях галактик с небольшой относительной скоростью возникают и длительное время действуют приливные силы, которые вызывают различные эффекты в дисках: они растягиваются в сторону возмущающей галактики, в них образуются «хвосты» и другие структуры из газа и звёзд, а также может образоваться бар, который стимулирует внутреннюю вековую эволюцию (см. выше), а также ускоряет темп звездообразования.
Другим агентом эволюции является слияние галактик — мержинг. К вековой эволюции относится только так называемый малый мержинг, который происходит при соотношении масс сливающихся галактик больше 5 к 1. При малом мержинге большей галактике удаётся сохранить свой диск, хотя дисперсия скоростей в нём возрастает. Хотя отдельно взятое слияние происходит довольно быстро, процессы малого мержинга рассматривают как вековую эволюцию, поскольку у галактики, как правило, много небольших спутников, и такие события происходят многократно в течение длительного времени.
Наконец, к внешней вековой эволюции относят и снабжение галактики газом извне — так называемую плавную аккрецию. Непосредственно её обнаружить не удалось, но при этом отмечается, что в спиральных галактиках за последние несколько миллиардов лет количество газа не изменилось, хотя всё это время происходило звездообразование, на что газ должен был расходоваться. Кроме того, наблюдаемую химическую эволюцию (см. ниже) также не удаётся объяснить без предположения о плавной аккреции.
Внешняя быстрая эволюция
В первую очередь к процессам внешней быстрой эволюции относят столкновения галактик с последующим слиянием, причём массы галактик должны отличаться не более, чем в пять раз — это так называемый большой мержинг. В этом случае получившаяся галактика уже не обладает диском, её суммарный момент вращения становится очень мал, зато увеличивается дисперсия скоростей и галактика принимает сфероидальную форму. Если в галактиках был газ, то слияние называется «мокрым» и происходит с диссипацией энергии. Бо́льшая часть газа при этом собирается в центре галактики, где случается короткая, но мощная вспышка звездообразования, а оставшийся газ покидает галактику. Если же газа в галактиках не было, слияние называется «сухим», но в любом случае образуется галактика без газа, в ней прекращается звездообразование и она становится типичной эллиптической галактикой.
Также быстрые изменения в галактике происходят, если она проходит через скопление галактик. В межгалактической среде скоплений содержится большое количество горячего газа, и когда галактика пролетает через него, этот газ «сдувает» газ, который окружал галактику до этого — такое явление называется (). У галактики пропадает источник газа для диска, и звездообразование, хотя и усиливается на небольшой срок из-за возросшего давления, в дальнейшем затухает. Если же галактика на большой скорости пролетает через центр скопления, где плотность газа особенно велика, она теряет свой газ даже из диска, где в то же время идёт звездообразование, а сам диск искривляется. В некоторых случаях эффекты лобового давления наблюдаются напрямую, но обычно они проявляются в том, что в галактиках скоплений наблюдается меньше водорода, чем в остальных галактиках.
Спектрофотометрическая эволюция Исследование отдельных звёзд возможно лишь в самых близких галактиках, в то время как для остальных галактик доступно лишь наблюдение интегральных характеристик — например, цвета или светимости целой галактики или её частей. Хотя эти характеристики напрямую связаны с составом звёздного населения галактики, которое со временем меняется, прямой подбор распределения звёзд по спектральным классам и классам светимости не удаётся из-за неоднозначности результата.
По этой причине используется так называемый метод эволюционного синтеза: этот метод состоит в подборе распределения звёзд по возрастам и массам. Формально этот метод описывается следующей формулой:
Здесь — светимость всей галактики на длине волны , — возраст галактики и старейших звёзд в ней, и — соответственно максимальная и минимальная масса звёзд, которые образуются (значения берутся произвольно, так как, в целом, не влияют на результат). — светимость звезды массой и возрастом на длине волны . — значение начальной функции масс для массы , — темп звездообразования на момент после образования галактики, то есть . Произведение и даёт количество звёзд массы и возраста .