На первой стадии образования Галактики, пока облако было очень большим, а скорость вращения — незначительной, этой деформации не произошло. Поэтому первое поколение или, лучше сказать, население звезд распределено в пределах огромного шара. Мало того. Сами эти звезды распределены в пространстве не равномерно, а шарообразными группами. Их так и называют — шаровыми скоплениями звезд.
По истечении 7–9 миллиардов лет после образования прото-галактического облака в результате дальнейшего сжатия межзвездного газа образовалась весьма своеобразная система, состоящая из крупного шара и меньшего по размерам диска с совмещенными центрами. Эта система своеобразна не только по конструкции, но и по своей сути. В шаровой, сферической части системы содержится информация о том, какие процессы проходили в начальный период образования и эволюции Галактики. Это своего рода музей Галактики, здесь все сохраняется «неизменным» в течение миллиардов лет. Настоящая же жизнь дисковой части Галактики, можно сказать, только и началась после того, как она сжалась примерно в десять раз и там создались условия, в которых начался процесс образования звезд.
Любопытно, что мы можем сейчас наблюдать свою раннюю историю, когда только начала создаваться Галактика из прото-галактического облака, поскольку то же самое происходит сейчас в других частях Вселенной с другими галактиками. Так, близкий рентгеновский квазар, числящийся в каталогах под номером MR 2251 — 178, окружен облаком ионизованного водорода с размерами 230 кпк. Масса всей системы составляет примерно 51011 масс Солнца. Диск в этой системе образуется только через несколько миллиардов лет.
На сегодняшний день диск нашей Галактики приобрел следующую структуру. Следует иметь в виду, что диск и шар вставлены друг в друга, поэтому объекты, принадлежащие шару, находятся также в пределах диска.
Самая центральная область диска называется ядром. Радиус ее составляет всего 1 пк. Поэтому эту область часто называют просто «центральным парсеком». В этой области центрального парсека содержится несколько миллионов звезд. Плотность звезд здесь в 20 тысяч раз больше, чем в окрестности Солнца. При увеличении радиуса до 600–700 пк мы охватываем вторую область диска, которая получила название «балдж». Здесь плотность звезд велика, поэтому возможны контактные взаимодействия между ними, то есть возможны парные сближения звезд. Но балдж отличается от остального диска не только этим, но и тем, что в этой области физические характеристики звезд отличаются от таковых в сферической части Галактики и в остальной части диска. Соотношение между балджем и диском столь принципиально, что оно может быть положено в основу классификации таких галактик. Балдж характерен тем, что плотность межзвездного газа (молекулярного водорода) здесь намного больше, чем в другой части диска. За пределами балджа вплоть до расстояния в 4 кпк плотность межзвездного газа резко падает. И только на удалении 4 кпк проходит своего рода крепостной вал — «большое галактическое кольцо», «молекулярное кольцо», в котором плотность молекулярного водорода большая. Это кольцо простирается до 6–8 кпк.
Диск Галактики состоит из звезд и межзвездного газа. Газовый диск намного больший, чем диск, состоящий из звезд. Он обнаруживается на расстояниях, которые в два-три раза превышают размеры видимого звездного диска.
Толщина диска в разных его частях разная. По мере удаления от центра она увеличивается. Это естественно, так как уменьшается вертикальная компонента гравитационной силы в диске. В центральной части диска, на расстояниях менее 4 кпк, толщина диска составляет 100–200 пк. На удалении 14 кпк она доходит до 600 пк. Утолщение диска продолжается и дальше с удалением от центра (вплоть до 30 кпк).
Края диска несколько изогнуты. Причина этого изгиба не ясна. Предполагалось, что край диска мог быть притянут силой гравитационного взаимодействия в сторону Магеллановых Облаков. Но это только гипотеза. Возможно, изгиб вызван внутренними причинами (в пределах самой Галактики). Наблюдаются также облака нейтрального водорода, которые падают на диск с огромными скоростями (иногда достигающими 400 км/с). Часть этих облаков приходит извне Галактики.
Под углом примерно 70° к галактическому диску наблюдается огромная дуга из газа, которая простирается от Галактики к Магеллановым Облакам. Она состоит из высокоскоростных облаков.
Предполагается, что этот поток газа образовался под действием приливных сил, которые «вырвали» газ из Магеллановых Облаков, когда они проходили вблизи Галактики.
Очень важным во всех смыслах является вращение Галактики (от него зависит даже судьба нашей цивилизации, но это мы рассмотрим позднее). Оно очень своеобразно. Чем дальше от центра Галактики, тем угловая скорость вращения меньше. То есть диск вращается не как твердотельное вещество, а, грубо говоря, как набор колец с единым центром, вращение которых замедляется по мере удаления от центра. Если на диске имеется какая-либо структура, то она со временем из-за такого вращения должна разрушиться. Также распадется картинка, нарисованная на таком искусственно сделанном диске. Тем не менее хорошо известно, что выраженные структуры в диске Галактики имеются. Они очень стабильны. Это спиральные рукава (или ветви) Галактики. Длительное время оставалось загадочным их существование. В 1928 году Джинс писал: «Каждая неудача при попытках понять происхождение спиральных ветвей делает все более и более трудным делом противостоять подозрению, что в спиральных туманностях действуют совершенно не известные нам силы, быть может, отражающие новые и неожиданные метрические свойства пространства. Предположение, которое настоятельно возникает, состоит в том, что центры туманностей имеют характер «сингулярных точек». В этих точках материя втекает в наш мир из некоторого иного и совершенно стороннего пространства. Тем самым обитателю нашего мира сингулярные точки представляются местами, где непрерывно рождается материя». Астрофизик Хойл также допускал, что спиральные ветви могут образовываться в результате рождения в ядрах галактик материи, которая затем вытекает наружу, образуя спиральные ветви. Над природой спиральных ветвей галактик ломали голову и многие другие ученые первой величины!
Разгадка этого явления была найдена в 1964 году астрофизиками Лин Цзя-Цзяо и Ф. Шу, о чем уже говорилось.
Образование звезд в диске Галактики происходит в условиях, которые отличаются от существующих в сферическом облаке, когда образовывались первые звезды. Первое отличие состоит в том, что изменилась среда, «тесто», из которого природа сейчас начала создавать звезды. Эта среда стала содержать тяжелые химические элементы. Поэтому и образованные из этой среды звезды принципиально отличались своим химическим составом от звезд первого поколения, которые состояли практически полностью из водорода. Астрофизики используют термин «металлические звезды». Его определяют как относительное количество тяжелых элементов в звезде. Причем под тяжелыми понимают все химические элементы тяжелее водорода и гелия. Для простоты тяжелые элементы называют металлами. Поскольку «тесто», из которого «пеклись» звезды, все время усложнялось (его металличность увеличивалась), так как в него попадали отходы от ранее образованных звезд, то, зная химический состав звезды (ее металличность), можно довольно уверенно определить то время, когда она была «испечена». Астрофизики очень широко используют такую возможность. Это (вместе с другими сведениями) позволяет воссоздать хронологию как нашей Галактики, так и других галактик и объектов. В том числе и ту хронологию, которую мы здесь описываем.
На рисунке 7 показаны облака газа и пыли в диске Галактики, как это видно с Земли. Видимый с Земли диск Галактики называют Млечным Путем.
Условия звездообразования в диске Галактики отличаются и тем, что здесь становится возможным уплотнение межзвездного газа волнами плотности. Но чтобы это было понятнее, надо рассмотреть, что собой представляет межзвездная среда, из которой рождаются звезды.
