Галактика Андромеды

Галактика Андромеды (Туманность Андромеды, M 31, NGC 224, PGC 2557) — спиральная галактика, наблюдаемая в созвездии Андромеды. Эта галактика приблизительно вдвое больше нашей галактики в диаметре, содержит в несколько раз больше звёзд и удалена от неё на расстояние порядка 800 килопарсек. Это делает её ближайшей из крупных галактик, а также крупнейшей галактикой Местной группы, тем не менее, её масса меньше, чем у Млечного Пути.

Звёздное население этой галактики в среднем более старое, чем в нашей галактике, и более металличное. Галактика имеет множество спутников, влияющих на её структуру, в её истории было множество столкновений с другими галактиками. В будущем Млечный Путь столкнётся и объединится с Галактикой Андромеды.

Туманность Андромеды имеет видимую звёздную величину +3,44m и угловой диаметр в 6 раз больше углового диаметра Луны, благодаря чему она видима невооружённым глазом и популярна среди астрономов-любителей, а также является распространённой локацией в научной фантастике. Самое раннее сохранившееся упоминание галактики относится к 964 году нашей эры, а на сегодняшний день это одна из самых изученных галактик.

Галактика Андромеды — спиральная галактика, удалённая от Млечного Пути на 740—830 килопарсек и наблюдаемая в созвездии . Галактика является крупнейшей в Местной группе, а также ближайшей крупной галактикой к Млечному Пути[3][4]. Хотя расстояние до этой галактики известно с одной из лучших точностей в астрономии, погрешность всё равно заметна и обусловлена неточностью измеренного расстояния до Малого Магелланова Облака, которое служит ступенью шкалы расстояний в астрономии[5].

Наблюдаемый радиус галактики составляет около 100 тысяч световых лет (31 килопарсек)[6]; в нём заключена масса в 3⋅1011 M. В более далёких частях галактики звёзды и газ уже не наблюдаются, но общая масса в области с радиусом в 100 килопарсек от центра, по разным оценкам, находится в диапазоне 0,8—1,5⋅1012 M. Всего же галактика содержит порядка триллиона звёзд. Таким образом, Галактика Андромеды немного больше в диаметре, чем Млечный Путь и содержит в 2,5—5 раз больше звёзд. При этом массы двух галактик как минимум равны, а скорее всего, масса Млечного Пути даже больше, хотя до недавнего времени считалось, что Галактика Андромеды значительно массивнее Млечного Пути, так как точная информация о массе гало Туманности Андромеды не была известна[3][5][7]. Общая масса атомарного водорода в галактике составляет около 4⋅109 M[8][9].

Абсолютная звёздная величина Галактики Андромеды в полосе V составляет −20,6m, а видимая — +3,44m. Показатель цвета B−V — +0,92[10]. Плоскость галактики расположена под углом в 12,5° к лучу зрения[8]. Лучевая скорость относительно Земли равна −310 км/с, а относительно центра Млечного Пути −120 км/с, что означает, что галактики сближаются и столкнутся в будущем (см. ниже[⇨])[5][9]. Кривая вращения галактики имеет максимум в области 1—15 килопарсек от центра, на этих расстояниях скорость вращения галактики составляет 240—250 км/с[11].

Галактика Андромеды имеет диск с двумя выраженными спиральными рукавами и сфероидальную составляющую, поэтому по морфологической классификации её относят к типу Sb[3] (или SA(s)b[12]). По данным обзора 2MASS, в Галактике Андромеды есть бар, расположенный практически параллельно лучу зрения. Как и Млечный Путь, эта галактика имеет протяжённое гало, содержащее бедные металлами звёзды, хотя его металличность и больше, чем у гало Млечного Пути[13][14]. В диске сосредоточено 56 % звёздной массы галактики, в балдже — 30 %[11].

На структуру галактики, по-видимому, влияют галактики-спутники (см. ниже[⇨]). Плоскость диска S-образно искажена, спирали имеют искривлённую форму, а также наблюдаются кольцеобразные структуры, и, возможно, Галактика Андромеды в будущем станет кольцеобразной галактикой[13]. Также у галактики наблюдается множество звёздных потоков[15].

В галактике наблюдается кольцо с радиусом приблизительно в 10 килопарсек от центра — так называемый молодой диск (англ. young disc): он отличается большим количеством областей H II и OB-ассоциаций. При моделировании он иногда рассматривается как отдельная от диска составляющая галактики[11][14].

Галактика Андромеды обладает двойным ядром: в середине наблюдаются две области, разделённые 5 световыми годами, где концентрируются звёзды. Одна из областей более яркая; при этом выяснено, что более тусклая часть находится в центре галактики, и, возможно, содержит сверхмассивную чёрную дыру массой 5⋅107 M, а более яркая — смещена относительно него. Наличие двойного ядра можно объяснить либо тем, что Галактика Андромеды в прошлом поглотила шаровое скопление или небольшую галактику, ядро которой и наблюдается, либо тем, что ядро частично затенено пылью, что может создавать иллюзию двойственности ядра[4][5]. Ещё одна гипотеза предполагает, что звёзды в центре галактики движутся по эллиптической траектории, замедляются при удалении от центральной чёрной дыры и создают там уплотнение, которое наблюдается как второе ядро[8][13]. Само ядро имеет очень высокую светимость, в 60 раз превышающую светимость среднего шарового скопления в галактике. Также ядро, подобно ядру нашей галактики, является радиоисточником, но его светимость в этом диапазоне в 30 раз слабее, чем у источника в центре Млечного Пути[14].

Нынешний темп звездообразования в Галактике Андромеды составляет лишь 20—30 % от такового в Млечном Пути и равен около 0,35 M в год, а звёзды в Галактике Андромеды в среднем более старые[7][14]. В центральных частях галактики доминируют звёзды возрастами 11—13 миллиардов лет, но в диске средний возраст звёзд составляет 6—7 миллиардов лет, а в молодом диске — около 4 миллиардов лет. Средняя металличность звёзд в галактике сравнима с солнечной, в центральных же областях галактики она больше и составляет в среднем 0,35[16][17]. В полосе g соотношение масса — светимость составляет порядка 5,3 M/L для балджа и диска, 6,2 M/L для гало и 1,2 M/L для молодого диска[11].

Галактика Андромеды имеет выраженную систему шаровых звёздных скоплений: их известно около 400, что в 2—3 раза больше, чем в Млечном Пути, а по теоретическим оценкам их в галактике примерно 450. Среди них — скопление Майалл II, самое яркое скопление в Местной группе, которое имеет массу в 7—15 миллионов масс Солнца (что вдвое больше, чем у Омеги Центавра) и, возможно, является ядром разрушенной карликовой галактики[5][8][14][18]. В среднем шаровые звёздные скопления в Галактике Андромеды имеют бо́льшую металличность, чем в Млечном Пути[19].

В Галактике Андромеды известны три популяции шаровых скоплений: первая — с возрастами от 100 до 500 миллионов лет, вторая — возрастом около 5 миллиардов лет, третья — 10—12 миллиардов лет. В отличие от Галактики Андромеды, в Млечном Пути эти объекты практически одинаково старые, с возрастом 10—12 миллиардов лет, а молодые отсутствуют. Вероятно, наличие молодых скоплений в Галактике Андромеды объясняется поглощением ей неправильных галактик в прошлом[20]. Кроме того, в Галактике Андромеды имеются звёздные скопления, по характеристикам промежуточные между шаровыми звёздными скоплениями и карликовыми сфероидальными галактиками, аналогов которым в Млечном Пути не обнаружено. Хотя их светимости и цвета такие же, как и у обычных шаровых скоплений, они отличаются очень большими радиусами — порядка 30 парсек[21].

Из других объектов в галактике обнаружено 35 чёрных дыр звёздных масс, чаще всего 5—10 M[13], и была зарегистрирована единственная сверхновая — S Андромеды, наблюдавшаяся в 1885 году[5].

В галактике есть кандидат в экзопланеты — PA-99-N2b, на существование которого может указывать событие микролинзирования, наблюдавшееся в 1999 году, но после объявления об открытии оно было поставлено под сомнение[22], и на данный момент планета считается неподтверждённой[23].

Галактика Андромеды имеет более десятка галактик-компаньонов, а с учётом кандидатов — более тридцати[24], большинство из них — карликовые сфероидальные галактики[3]. Наиболее яркие и заметные — M 32 и M 110, и возможно, к спутникам Галактики Андромеды также относится Галактика Треугольника[4][5].

Некоторые особенности структуры (см. выше[⇨]) указывают на то, что спутники заметно влияют на саму галактику. Например, 200 миллионов лет назад M 32 прошла через диск Галактики Андромеды, что привело к появлению кольца, а сама M 32 при этом потеряла около половины своей массы[13][25]. Приливные силы галактики также влияют на спутники: с некоторыми из них связаны звёздные потоки[15][26].

Считается, что Галактика Андромеды образовалась 10 миллиардов лет назад при столкновении нескольких галактик[13].

8 миллиардов лет назад произошло столкновение Галактики Андромеды с другой галактикой, что привело к вспышке звездообразования, а на следующие 100 миллионов лет Галактика Андромеды стала яркой инфракрасной галактикой[13].

В промежутке от 2 до 4 миллиардов лет назад произошло близкое прохождение Галактики Андромеды и Галактики Треугольника, что привело к искривлению внешних областей диска и новой вспышке звездообразования[13].

100 миллионов лет назад Галактика Андромеды поглотила небольшую галактику. Это привело к образованию газового диска, который вращается в противоположную сторону относительно вращения M 31[13].

Галактика Андромеды и Млечный Путь сближаются со скоростью около 120 км/с. Тангенциальная скорость Галактики Андромеды при этом достаточно мала, поэтому галактики столкнутся через 4 миллиарда лет, после чего на процесс слияния уйдёт ещё 2 миллиарда лет и образуется эллиптическая галактика. Если столкновение галактик с последующим слиянием произойдёт, столкновения отдельных звёзд всё равно будут маловероятны из-за низкой концентрации звёзд. Тем не менее, возможно, Солнечная система будет выброшена на далёкое расстояние от центра получившейся галактики[4][8][27].

В этом столкновении также будет участвовать Галактика Треугольника, и возможно, Млечный Путь столкнётся с ней раньше, чем с Галактикой Андромеды[4].

При хороших условиях наблюдения Галактика Андромеды видна невооружённым глазом, и скорее всего неоднократно наблюдалась в древности. Однако первое сохранившееся упоминание о ней датируется лишь 964 (либо 965[6]) годом нашей эры и содержится в Книге неподвижных звёзд (англ.), составленной Ас-Суфи, где она фигурирует как «маленькое облако»[5][28].

Из европейских источников, упоминающих туманность, известна голландская карта звёздного неба, которая датируется 1500 годом. Первым, кто наблюдал её с помощью телескопа, был Симон Марий в 1612 году. Туманность обнаружил также Джованни Баттиста Годиерна и, не зная о предыдущих наблюдениях, в 1654 году заявил о её открытии. В 1661 году галактику наблюдал Исмаэль Буйо и отметил при этом, что её открыл анонимный астроном в начале XVI века; тем не менее, Эдмунд Галлей считал первооткрывателем именно Буйо и указал это в своей работе 1716 года, посвящённой туманностям[5][28].

Шарль Мессье внёс туманность в свой каталог в 1764 году под 31-м номером. В качестве первооткрывателя он указал Симона Мария, хотя тот не был первооткрывателем и не заявлял об открытии. Позже Мессье внёс в каталог и два компаньона туманности — M 32 и M 110[5]. В каталог Мессье попало лишь два объекта ярче туманности Андромеды: Скопление Птолемея (M 7) и Плеяды (M 45)[13].

Из-за её большого углового диаметра астрономы считали, что эта туманность — ближайшая из всех туманностей вообще. На основании этого предположения Уильям Гершель, наблюдавший Галактику Андромеды в 1780 году, решил, что она удалена от Земли в 2000 раз дальше, чем Сириус, то есть на 17000 световых лет. Хотя Гершель недооценил расстояние до M 31 на два порядка, его оценка стала первой попыткой определения расстояния до неё[5][13].

В 1864 году Уильям Хаггинс обнаружил, что спектры туманностей делятся на непрерывные, которые встречаются также у звёзд, и эмиссионные, которые наблюдаются у газопылевых туманностей. Спектр M 31 оказался непрерывным, и Хаггинс решил, что туманность на самом деле состоит из звёзд[5][13].

В 1885 году в галактике вспыхнула сверхновая — S Андромеды, первая зарегистрированная сверхновая вне Млечного Пути и пока что единственная в Галактике Андромеды. В то время Туманность Андромеды считалась частью Млечного Пути, и, как следствие — расположенной гораздо ближе, чем на самом деле, поэтому сверхновая была принята за новую звезду и получила название «Новая 1885 года»[5][13].

В 1887 году Исаак Робертс (англ.) сделал первую в истории фотографию Туманности Андромеды, на которой впервые оказалась видна спиральная структура[5][13].

В 1888 году Йохан Дрейер опубликовал Новый общий каталог, содержащий 7840 туманностей, звёздных скоплений и других объектов. Туманность Андромеды вошла в него как NGC 224. Кроме самой галактики, в каталог вошло находящееся в ней звёздное скопление NGC 206. Уже известные компаньоны M 32 и M 110 вошли в каталог как NGC 221 и NGC 205 соответственно; ещё два спутника получили обозначения NGC 147 и NGC 185[5][28][29].

В 1912 году Весто Слайфер измерил лучевую скорость Туманности Андромеды и выяснил, что она приближается к Земле со скоростью 300 км/с, что оказалось наибольшим значением из всех измеренных до этого. Это стало свидетельством в пользу того, что туманность находится вне Млечного Пути[5].

Тем не менее, вопрос о том, есть ли туманности за пределами Млечного Пути или все они принадлежат нашей галактике, ещё оставался. Он был разрешён в 1923 году, когда Эдвин Хаббл обнаружил в туманности Андромеды цефеиды — переменные звёзды, для которых была известна зависимость между периодом и светимостью, и в 1929 году определил, что расстояние до Галактики Андромеды значительно превышает размеры Млечного Пути. Однако эта оценка расстояния оказалась занижена более чем в два раза: Хабблу было неизвестно, что цефеиды делятся на два типа с разными зависимостями период — светимость. В 1943 году Вальтер Бааде, наблюдая центральные области галактики, обнаружил два различных типа цефеид, и благодаря этому открытию ошибка в измерении расстояния до этой галактики (и для других) была исправлена[5][13][30].

В 1991 году с помощью телескопа Хаббл обнаружено двойное ядро галактики, а в 2012 году в этой галактике открыт первый микроквазар вне Млечного Пути[13]. На сегодняшний день Галактика Андромеды — одна из самых изученных галактик; кроме того, она представляет интерес тем, что, в отличие от Млечного Пути, она наблюдается со стороны и все её особенности хорошо видны, а не скрыты межзвёздной пылью[5].

Сравнение угловых размеров Луны и Галактики Андромеды (изображение смонтировано)

Галактика Андромеды имеет видимую звёздную величину +3,44m[10], что делает её не только видимой невооружённым глазом, но и самой яркой галактикой северного полушария небесной сферы[3]. Оценка её угловых размеров зависит от критериев и условий наблюдения, но в среднем размеры считают равными 3° × 1°, а значит, угловой диаметр Галактики Андромеды в 6 раз больше углового диаметра Луны[5]. Иногда эту галактику рассматривают как самый удалённый объект, видимый невооружённым глазом, хотя опытные наблюдатели могут разглядеть более удалённую Галактику Треугольника[4]. Галактика видима во всём северном полушарии, а в южном — на широтах севернее −40°[8]. Лучшие месяцы для наблюдения — октябрь, ноябрь и декабрь[13]. Все эти свойства делают галактику достаточно популярным объектом для наблюдения[31].

Несмотря на высокий видимый блеск, поверхностная яркость галактики из-за её больших размеров невысока. Условия видимости сильно зависят от уровня светового загрязнения, хотя и в меньшей степени, чем для других галактик. При некотором световом загрязнении всё ещё видна самая яркая центральная часть галактики, при использовании бинокля или небольшого телескопа можно заметить самые яркие спутники — M 32 и M 110, но структура остаётся неразличимой и галактика видна как туманное пятно в форме овала. Даже при небольших увеличениях, как правило, галактика занимает всё поле зрения[32].

При использовании крупного (более 25 см в диаметре) телескопа можно разглядеть шаровое звёздное скопление Майалл II, а при достаточном диаметре и несколько других шаровых и рассеянных скоплений. Становятся видны и другие детали, например, полоса пыли, пересекающая центр галактики[5][32][33]. При фотографировании с длительной выдержкой детальные изображения можно получить даже без использования телескопа[34].

В массовой культуре Галактика Андромеды используется главным образом как локация в различных научно-фантастических произведениях. Среди них, например, Star Trek, в одной из серий которого из галактики прибывают разумные существа. В сериале A for Andromeda (англ.) сюжет основывается на том, что учёные приняли радиосообщение, отправленное из Галактики Андромеды[4]. Даже после того, как стало известно, что M 31 — галактика, её всё равно часто называют туманностью: например, «Туманность Андромеды» — название романа Ивана Ефремова[13].