Вселенной в целом) – она, скорее, о том, что происходило во Вселенной с момента ее возникновения и что сформировало наиболее очевидную и заметную для стороннего наблюдателя характерную особенность космоса – его галактики. Во время этого путешествия мы узнаем о том, как, по нашему мнению, эти галактики появились и как протекала их эволюция, и постараемся ответить на все те вызовы и вопросы, с которыми сталкиваются внегалактические астрономы сегодня: когда сформировались первые галактики? Как растут галактики и какие физические процессы определяют их судьбу? Более того, мы немного коснемся и самого предмета современной астрономии: что она делает и как работают астрономы.

Фотография Млечного Пути, сделанная космической обсерваторией «Планк». Целью проекта «Планк» было изучение изменения космического микроволнового фона – реликтового излучения, но поскольку эта космическая обсерватория наблюдала за всем небом, она также снабжала нас детальными изображениями Млечного Пути. Этот снимок показывает в белых оттенках тонкую эмиссию пыли в нашей Галактике, в основном сосредоточенную на галактическом диске, и обнаруживает сложную морфологию пространства над и под ним (на высоких галактических широтах). Бо́льшая часть галактик содержит значительное количество пыли, образовавшейся во время формирования звезд. Эта пыль поглощает ультрафиолетовый и оптический свет, но испускает излучение в инфракрасном диапазоне спектра по мере нагревания в поле межзвездного излучения

На страницах этой книги мы познакомимся со стандартной моделью космологии, или «космологическим конкордансом». Эта модель описывает все содержание, структуру и эволюцию Вселенной и называется «Лямбда-CDM» (от англ. Lambda-Cold Dark Matter, ΛCDM). С конца 1990-х годов большинство астрономов приняли эту модель в качестве наиболее подходящей из имеющихся на сегодняшний день для объяснения результатов наблюдений за всеми свойствами Вселенной. Лямбда (Λ) относится к символу, обозначающему темную материю, которая впервые появилась в уравнениях общей теории относительности Эйнштейна как так называемая космологическая константа, а CDM обозначает холодную темную материю (точная природа темной материи не имеет особого значения для нашей истории, однако это понятие – важная ее деталь). Хотя мы описываем концепцию «Лямбда-CDM» как нашу стандартную модель космологии, и темная энергия, и темная материя находятся за пределами стандартной современной физической модели, где нам неясна их истинная природа. Это несколько обескураживающее положение, особенно в сочетании с тем фактом, что в модели «космического конкорданса» темная энергия и темная материя вместе образуют бо́льшую часть плотности энергии, а следовательно, и массы Вселенной, и привело многих критиков к концепции «Лямбда-CDM».

Я бы не хотел сейчас увязнуть в космологии, потому что эта книга все-таки посвящена только галактикам, но один тезис абсолютно безусловен: «Лямбда-CDM» – именно та модель, которая успешно описывает самый широкий комплекс собранных эмпирических данных. Конечно, природа космологической модели важна для истории галактик, но в известном смысле это отдельная проблема. Я бы хотел рассказать о том, что мы на самом деле знаем о галактиках благодаря тщательному наблюдению и анализу данных.

Описывая свет, то есть электромагнитное излучение, я говорю – и намеренно, и случайно – о частоте и длине волн света как взаимозаменяемых понятиях. Иногда это происходит в результате установившихся обычаев в том или ином разделе астрономии (например, в случае радиоастрономии и оптической астрономии), но в основном это связано с тем, что описание энергии света через его частоту ничем не отличается от того же описания в терминах длины волны: они обозначают одно и то же явление, но относятся к разным аспектам природы электромагнитного излучения. В качестве понятного примера можно представить простую модель световых волн по аналогии с волнами в океане: если вы сидите в лодочке на якоре посреди океана, по которому пробегают волны, то показателем того, как ваша лодка ныряет на волнах то вверх, то вниз, и будет частота. А расстояние между соседними гребнями и впадинами – это длина волны. Теперь вы видите, как эти два показателя связаны. Хотя волновая модель – один из способов описания процесса распространения излучения, где свет проявляется как колебания «моря» электромагнитных волн, далее я буду описывать свет в квантовой модели, где он распространяется в виде фотонов. В любом случае частота и длина волн света, будь то радиоволны, видимый свет или рентгеновское излучение, соотносятся с энергией электромагнитного излучения.

Есть два важных вопроса, которые я хотел бы обсудить в этой книге. Во-первых, во Вселенной существует множество самых разных видов галактик. Во-вторых, эти галактики не всегда были там, где находятся сейчас, и меняются по мере движения Вселенной – астрономы используют термин «эволюционируют». Разумеется, мы все еще сталкиваемся со сферами, где нам недостает знаний и понимания, и поэтому здесь необходимо обращаться к теории, построению моделей и предположений, которые мы можем сопоставить с результатами наблюдений. И я позволю себе не извиняться за то, что некоторые примеры, на которые я буду опираться по мере повествования, пристрастны и основаны на моем личном исследовательском опыте. И я с самого начала признаю, что область охвата предмета настолько глобальна, что по необходимости мне приходилось приукрашивать, упрощать или вовсе опускать какие-то темы. Но моя задача – дать вам представление о том, что значит быть астрономом, показать с практической стороны, как мы проводим измерения и эксперименты и как это привело нас к современному уровню понимания Вселенной.

И если повезет, то к концу этой книги я смогу убедить вас в том, что астрономия – это невероятно разнообразное, богатое и восхитительное пространство для исследований, и показать вам те замечательные вещи, которые мы как вид смогли узнать за изумительно короткий период нашей истории.

Во Вселенной существует невероятное разнообразие видов и типов галактик, и наша – лишь одна из миллиардов. Конечно, множество из них похожи на наш спиральный Млечный Путь и построены по так называемой спиральной модели с упорядоченной структурой (гранд-дизайн; это обозначение – просто сокращенный вариант для описания сложности этих объектов) и различными уровнями. Так, есть спиральные галактики, которые имеют в центре перемычку (бар); есть маленькие, неправильные и аморфные галактики; есть галактики, сливающиеся и взаимодействующие с искаженными в результате этого процесса формами; наконец, встречаются и массивные галактики без явно выраженного ядра, при этом представляющие собой гигантское сферическое или эллиптическое скопление звезд. Такие галактики отличаются по химическому составу, содержат разные типы звезд и формируют новые звезды с разной частотой. Масса Млечного Пути за счет возникновения новых звезд каждый год увеличивается на массу нескольких Солнц; в самых активных галактиках формирование новых звезд происходит в сотни раз быстрее, чем в нашей, а в некоторых они вообще не рождаются. Расположение галактик в космическом пространстве тоже не случайно: они выстраиваются в определенные системы, структуру которым задает лежащая в основе всего мироздания гравитация. Разные типы галактик, как правило, и располагаются по-разному. Цель моего исследования – внести свой вклад в наше понимание того, почему галактики такие, какие есть, и как они появились. Почему галактик так много? Какие процессы их сформировали и как вся эта система менялась по мере развития Вселенной? Все, что нам сегодня известно, является результатом десятилетий кропотливого и терпеливого наблюдения за небом для сбора данных, позволяющих нам подобрать ключи к ответам на эти вопросы.