[Перевод] Спросите Итана №111: умирают ли галактики?

Даже космический дом нашей Солнечной системы когда-нибудь исчезнет. Но как именно?

Если не попрощаться с любимыми, и если не переехать на совершенно новое место, то можно ждать лишь долгого и постепенного изнашивания, приводящего в итоге к исчезновению.
— Жан Дюбюффе

На этой неделе было очень много вопросов и предложений для нашей периодической колонки, и мне даже пришлось просить помощи для принятия решения. И в результате было решено ответить на вопрос Джона Литтла, который просит нас отправиться в далёкое будущее:

Умирают ли галактики? Если да, как это выглядит?

Начнём с изучения нашего дома, Млечного пути, и его соседей.

Принято считать, что местная группа галактик (мы и наши космические соседи) состоит из нас, Андромеды (нашей старшей сестры) и кучки неизвестных. Пришло время познакомиться с ними. В частности:

№3: галактика Треугольника. Её масса составляет примерно 5% от Млечного пути, и она третья в списке крупнейших галактик нашей местной группы. У неё спиральная структура, имеются свои спутники, и она сама может быть спутником Андромеды.

№4: большое Магелланово облако. Её масса не превышает 1% от Млечного пути, но она четвёртая в списке крупнейших. Она очень близка к Млечному пути – не более 200 000 световых лет, и в ней происходит взрывное по своей активности звёздообразование. Гравитационные приливные силы нашей Галактики заставляют газ сжиматься, и рождать самые новые, горячие и большие звёзды во Вселенной.

№5-7: малое Магелланово облако, NGC 3190 и NGC 6822. Их массы находятся в пределах от 0,1% до 0,6% от Млечного пути, кто крупнее – неясно, но эти галактики тоже достаточно крупные – в каждой материи наберётся на миллиард солнечных масс.

№8 и 9: Эллиптические галактики M32 и M110. Они могут быть «всего лишь» спутниками Андромеды, но в каждой из них по миллиарду звёзд, и они могут оказаться более массивными, чем упомянутые № 5, 6 и 7.

И кроме них есть ещё не менее 45 известных, более мелких галактик, составляющих нашу местную группу. Несмотря на огромное их количество, массы и размеры, ни одна из них не сохранится в сегодняшнем виде через несколько миллиардов лет.

Со временем галактики взаимодействуют посредством гравитации. Это не только стягивает их вместе через притяжение, но и влияет на них через приливные силы. Для нас приливы – это то, что создаёт Луна, притягивая океаны Земли, в результате чего образуется выпуклость, которая и даёт эффект прилива, когда через неё проходит часть планеты.

Но с точки зрения галактики приливы не такие явные. Часть небольшой галактики, находящаяся близко к большой, будет притягиваться с большей силой, а удалённая её часть – с меньшей. В результате, небольшие галактики растягиваются и в итоге разрываются через их взаимодействие с большими.

Небольшие галактики, входящие в местную группу, включая оба Магеллановых облака и все карликовые эллиптические галактики, именно так и будут разорваны, а их материя будет включена в более крупные галактики, с которыми они объединятся.

Ну и что, скажете вы. Это же не настоящая смерть, поскольку большие галактики вроде Млечного пути всё переживут. Но и мы не сможем вечно находиться в таком состоянии. Через 4 миллиарда лет гравитационное притяжение Млечного пути и Андромеды затянет нас в совместный гравитационный танец, ведущий к слиянию. И хотя процесс займёт миллиарды лет, спиральная структура обеих галактик будет уничтожена, и в результате появится одна гигантская эллиптическая галактика в центре нашей группы: Милкдромеда.

В результате другие галактики нашей местной группы тоже засосёт, и останется одна гигантская галактика, состоящая из всех поглощённых. Такой процесс рано или поздно произойдёт во всех связанных группах и кластерах галактик по всей Вселенной, а тёмная энергия будет растаскивать группы и кластеры дальше друг от друга.

Но и это не смерть, ведь всё равно галактика останется. Но галактика состоит из звёзд, пыли и газа, и количество всего этого конечно.

И хотя объединения займут десятки миллиардов лет, а тёмная энергия будет отдалять их друг от друга по Вселенной на расстояния, приводящие к невидимости и недоступности, на временных промежутках, измеряемых сотнями миллиардов лет, звёзды продолжат жить. Самые долгоживущие сегодняшние звёзды будут жечь своё топливо более десяти триллионов лет, а из газа, пыли и звёздных останков, заполняющих галактики, будут рождаться новые звёзды – хотя всё в меньших количествах и всё реже.

И когда последние звёзды выгорят, их останки – белые карлики и нейтронные звёзды – будут продолжать светить сотни триллионов или даже квадриллионы лет, пока не потемнеют. И когда и это неизбежно произойдёт, останутся коричневые карлики, недозвёзды, иногда объединяющиеся вместе, запускающие ядерный синтез и создающие звёздный свет ещё десятки триллионов лет.

И когда отгорит последняя звезда, через десятки квадриллионов лет (10¹⁶), в галактике всё ещё останется масса. И даже это нельзя будет считать настоящей смертью.

Но даже в темноте галактика не будет существовать вечно! Все эти массы будут гравитационно взаимодействовать друг с другом, а гравитационные объекты разных масс ведут себя при этом странно:
• Повторяющиеся пролёты и близкие встречи приводят к обменам скоростями и импульсами.
• Объекты меньшей массы вышвыриваются из галактики, а большей – тонут по направлению к центру и теряют скорость в процессе «принудительной релаксации» [violent relaxation].
• За достаточно длительный промежуток времени, от 10¹⁹ до 10²⁰ лет, большая часть массы будет выброшена из галактики, и только небольшой процент оставшейся массы свяжется ещё сильнее.

В самом центре остатков галактики будет находиться сверхмассивная чёрная дыра. И этот объект станет последним из существующих, сначала увеличившись до максимально возможного размера, поедая всё, до чего сумеет дотянуться. В центре Милкдромеды мы обнаружим объект в сотни миллионов раз более массивный, чем Солнце; у более крупных групп и кластеров чёрные дыры будут иметь массы, превышающие десятки миллиардов солнечных масс или даже больше!

Но и они не будут жить вечно.

Из-за излучения Хокинга и эти объекты распадутся. Это займёт от 10⁸⁰ до 10¹⁰⁰ лет, в зависимости от их массы, но всё равно они исчезнут.

И неважно, как вы определяете галактику или её останки, все они однозначно погибнут. А как и когда именно – точный ответ на этот вопрос остаётся за вами!