Линзовидная галактика – одна из её разновидностей, являющаяся промежуточным звеном между эллиптической и спиральной галактической группой. Ориентиром используется классификация Хаббла. Это дисковая галактическая система, утратившая межзвёздный газ. В связи с этим показатель частоты, с которым происходит формирование звёзд, снижен. В дисках сохраняются значительные пылевые запасы, вследствие чего объекты имеют в составе преимущественно старые звёзды.

Если линзовидная галактика обращена в сторону человека, который за ней наблюдает плашмя, могут возникнуть трудности в процессе её различения, ведь она имеет сходство с эллиптическими галактическими системами по причине отсутствия выразительности спиральных рукавов. В соответствии с принципами классификации Хаббла в качестве линзовидных объектов рассматриваются следующие категории: S0; SB1; E8; SA0; SAB0.

Окончательная классификация групп светил представлена в 1936 году. Схема в народе получила наименование «вилка Хаббла». С данной теорией слева располагаются галактики эллиптической формы, а справа – группы спирального типа. Их отличительная особенность заключается в том, что спиральные объекты представлены плоскими дисками, в которых можно запросто заметить очаги звездообразования, имеющие чёткую структуру.

С одной стороны, линзовидная галактика имеет однородный красный тон, с другой – она обладает внушительным звёздным диском наподобие спиральных групп. Поддержание этих дисков обеспечивается вращением, т. е. они имеют заметный момент. Несмотря на наличие большого количества рациональных версий и гипотез, споры среди учёных касательно природы их происхождения и основных явлений продолжаются.

Ученые давно задавались вопросом, в каком эволюционном порядке шло формирование галактик разных типов – эллиптических, спиральных, линзовидных. Согласно современному взгляду, первыми должны были сформироваться спиральные галактики, а уже из них – образовываться эллиптические. Но какое место в этой картине занимают галактики линзовидные, обладающие отдельными характеристиками обоих перечисленных типов?

Российские астрофизики, изучившие движение газа в ближайших 18 линзовидных галактиках, доказали, что они предшествует спиральным, которые способны возникнуть из линзовидных при строго определенных условиях.

Исследование галактик как звездно-газовых систем, находящихся за пределами Млечного пути, началось в первые десятилетия XX века с классических работ Эдвина Хаббла. В 1926 году он опубликовал первую схему «морфологической классификации» галактик, которая сейчас известна как «вилка Хаббла» (отечественные астрономы иногда употребляют более возвышенное сравнение – «камертон Хаббла»).

Группируя галактики по внешнему виду, Хаббл выделил «эллиптические галактики», обладающие однородным красным звездным населением, – они на его схеме располагаются слева, вдоль «ручки» вилки, – и «спиральные галактики» с голубыми спиральными ветвями разной степени раскрытости и клочковатости. Для спиральных галактик Хаббл отвел место справа, и располагаются они вдоль двух «зубцов» схемы – спиральные галактики с вытянутой перемычкой в центре и без нее.

Практически сразу, классифицируя пространственные формы галактик по статистике видимой вытянутости их изображений, Хаббл пришел к выводу, что эллиптические галактики – это сфероиды со сравнимыми размерами по всем трем осям, а спиральные галактики – это плоские дисковые системы, у которых толщина диска заметно меньше его радиуса.

Позже, в 1936 году, Хаббл ввел переходный между эллиптическими и спиральными галактиками морфологический тип – линзовидные галактики. Они однородные и красные на вид, как эллиптические, но по трехмерной структуре абсолютно похожи на спиральные – это тоже протяженные звездные диски.

Интересно, что создавая свою схему, Хаббл назвал эллиптические галактики «ранними типами», а спиральные – «поздними типами». Это сразу породило подозрения, что в свою классификацию Хаббл заложил эволюционный смысл: первыми, вероятно, появились эллиптические галактики, как самые простые по структуре и однородные по свойствам звездного населения, а уже потом к ним начали пристраиваться внешние дисковые структуры, звездообразование в которых идет до сих пор, – так, вероятно, оформились галактики спиральные.

Однако в книге 1936 года Хаббл решительно опроверг такое толкование его схемы: он написал мелким шрифтом примечание, что имел в виду только внешний вид галактик («морфологию») и ничего не знает про их происхождение. И все решили, что, скорее всего, разница во внешнем виде галактик связана с различными начальными условиями их формирования – например, с различным угловым моментом протогалактического облака.

Время шло, астрономическая мысль развивалась, и к концу XX века, когда в умах астрономов воцарились космологические «сценарии» эволюции всей Вселенной сразу, схеме Хаббла снова придали эволюционный смысл. Только направление эволюции перевернули: не слева направо, а справа налево.

Действительно, если звездный компонент галактик формируется из газа внутри гало темной материи, а любое гало темной материи изначально имеет вполне определенный момент вращения, который оно передает газу, первыми должны формироваться протяженные звездные диски – то есть спиральные галактики «поздних типов».

Некоторые дисковые галактики потом могут встретиться и слиться в одну – вслед за слиянием своих темных гало, которые в рамках популярного и общепринятого космологического сценария иерархически скучиваются под действием гравитации и увеличивают свою массу за счет постоянных слияний друг с другом. А расчеты показывают, что когда сливаются две дисковые галактики сравнимых масс, получается одна большая эллиптическая.

То есть согласно современным космологическим моделям эллиптические галактики должны формироваться последними, хотя они и «ранних типов».

А что же сейчас думают про происхождение линзовидных галактик, которые по структуре дисковые, но по звездному населению – старые? Лишенные спиральных ветвей и очагов интенсивного текущего звездообразования, линзовидные галактики являются одним из камней преткновения в современных теориях формирования и эволюции галактик.

Большинство исследователей считают, что линзовидные звездные системы возникают в результате быстрой потери газа из дисков спиральных галактик под воздействием внутренних, а чаще внешних факторов.

Теряется газ – прекращается звездообразование, и, сохраняя свою дисковую структуру, галактика становится красной. Поскольку из наблюдений известно, что среди населения близких скоплений до 60 процентов всех галактик – линзовидные, идея с внешним воздействием и выметанием газа из диска при «вхождении» спиральной галактики в скопление стала очень популярна.

Линзови́дные гала́ктики (обозначаются S0), распространённый тип галактик, в дисках которых нет ни чётких спиральных ветвей, ни ярких областей звездообразования.

По некоторым характеристикам линзовидные галактики похожи на эллиптические, по некоторым – на спиральные. Общая структура линзовидных галактик роднит их со спиральными галактиками. Они имеют сходные значения масс (светимостей) и содержат те же структурные компоненты: звёздный диск, центральное звёздное сгущение – балдж, который часто (но не всегда) бывает очень массивным, а также тёмное гало. Как и в спиральных галактиках, в центральной области диска линзовидных галактик часто наблюдается вытянутая звёздная перемычка – бар, иногда в диске выделяется широкое размытое кольцо вокруг центра (в галактиках также встречаются кольцевые структуры).

В линзовидных галактиках нередко видны тёмные непрозрачные участки, связанные с наличием межзвёздной пыли в отдельных областях. В некоторых линзовидных галактиках наблюдательные данные указывают на присутствие небольшого количества межзвёздного газа, причём имеются признаки того, что он изначально не принадлежал галактике, а попал в неё извне – по-видимому, в результате поглощения и разрушения спутников галактики, содержащих газ. Нередко оказывается, что такой приобретённый газ вращается в плоскости, не совпадающей с плоскостью галактического диска.

Звёздные диски линзовидных галактик вращаются вокруг центра примерно с теми же скоростями, что и в спиральных галактиках. Однако диски в линзовидных галактиках обычно более толстые и характеризуются более высоким разбросом (дисперсией) скоростей звёзд. Но главное отличие от спиральных галактик заключается в том, что рождение звёзд в линзовидных галактиках прекратилось практически полностью очень давно, многие миллиарды лет назад, что сделало их похожими на эллиптические галактики по составу звёздного населения, цвету и спектру.

Резкой границы между линзовидными и спиральными галактиками не существует. Промежуточный тип галактик со слабо выраженными спиральными ветвями и низким содержанием молодых звёзд в морфологической классификации Хаббла обозначается как S0/a. Между линзовидными и эллиптическими галактиками различие выражено более определённо: в линзовидных галактиках имеется диск, причём, как правило, это основной звёздный компонент, а в эллиптических галактиках заметных, а тем более массивных дисков нет. Однако в тех случаях, когда диски линзовидных галактик развёрнуты под большим углом к лучу зрения, их часто очень трудно отличить от эллиптических галактик по внешнему виду.

Низкие темпы звездообразования в линзовидных галактиках связаны прежде всего с недостаточной плотностью межзвёздного газа в диске по сравнению с тем, что имеет место в спиральных галактиках. Это может быть следствием как внутренних, так и внешних причин. Очень много линзовидных галактик наблюдается в богатых скоплениях галактик, заполненных горячим межгалактическим газом. Спиральные галактики, наоборот, как правило, расположены в более разреженном окружении. Поэтому получила широкое распространение гипотеза о том, что линзовидные галактики – это бывшие спиральные галактики, которые потеряли свой межзвёздный газ несколько миллиардов лет назад, когда попали в плотные области скоплений галактик.

Действительно, при движении галактик с большими скоростями в межгалактической газовой среде основное количество газа могло быть выметено из дисков галактик лобовым давлением набегающего потока, а звёздный диск галактики, находящейся в скоплении, мог стать динамически более «разогретым» и более толстым.

Хотя для части галактик такой подход может оказаться верным, он не годится в качестве универсального, например по той причине, что линзовидных галактик немало и вне скоплений, в разреженном окружении и даже среди одиночных галактик (хотя последние часто несут следы происходивших в прошлом слияний галактик с близкими спутниками). К тому же возраст звёзд, составляющих диски линзовидных галактик, всегда очень большой – около 10 млрд лет, т. е. звездообразование в них почти прекратилось уже со времён их ранней молодости.

Поэтому рассматриваются и другие возможные пути образования линзовидных галактик. Их предложено несколько. Например:
• S0-галактики – это постаревшие спиральные галактики, в которых миллиарды лет назад уже затухло звездообразование по причине быстрого исчерпания запасов газа в диске при отсутствии поступления газа извне;
• S0-галактики возникли в результате того, что в процессе образования звёздного диска газ был почти полностью выметен из него в результате мощной вспышки активности ядра галактики. После того как активность ядра прекратилась, потерянный газ не упал назад на диск, поэтому звездообразование в нём затухло навсегда и спиральные ветви не возникли;
• S0-галактика могла появиться в результате сильного динамического взаимодействия и слияния спиральной галактики с другой галактикой, сопоставимой с ней по массе, миллиарды лет назад. Это событие привело к тому, что изменилась структура галактики, диск уцелел, но стал толще, а сама галактика пережила вспышку массового рождения звёзд из газа. Как следствие, количество оставшегося газа оказалось недостаточным для существования спиральной структуры и продолжения активного звездообразования;
• S0-галактики никогда не были спиральными, скорее, это не сформировавшиеся до конца спиральные галактики. Исчерпав содержащийся в них газ в бурном и кратковременном процессе формирования толстого звёздного диска, галактики в силу тех или иных причин (например, из-за быстрого движения в межгалактическом газе скопления галактик) не смогли в дальнейшем пополнить его запасы и остались почти без газа с дисками из старых звёзд. А те галактики, которые мы наблюдаем сегодня как спиральные, прошли ту же стадию исчерпания газа, но благодаря аккреции на них газа из межгалактических газовых струй (филаментов) в них возник новый, более тонкий звёздно-газовый диск со спиральной структурой, звездообразование в котором продолжается и в современную эпоху (гипотеза О. К. Сильченко).

По-видимому, не существовало единого сценария образования линзовидных галактик, в разных условиях могли реализовываться различные варианты.

Хаббл сформулировал свою классификацию галактик окончательным образом в 1936 году. И эта схема, которая в астрономическом простонародье получила название «вилка Хаббла», предполагает, что слева находятся эллиптические галактики (это сфероиды однородного красноватого цвета), а справа – две ветви спиральных галактик. Спиральные галактики отличаются от эллиптических тем, что это плоские диски, и в этих плоских дисках заметны очаги звездообразования, организованные в спиральную структуру. Хаббл поместил между двумя такими большими классами галактик то, что он назвал гипотетическим классом линзовидных галактик.

Линзовидные галактики, с одной стороны, имеют однородный красноватый цвет, как эллиптические, то есть вроде бы не содержат видимого звездообразования, а с другой стороны, это галактики дисковые, то есть у них большой звездный диск, как у галактик спиральных. И в общем, как сейчас уже известно, эти диски поддерживаются вращением, то есть у них есть заметный момент. Общий предрассудок, что у линзовидных галактик балджи больше, чем у спиральных галактик, сейчас уже развеян. В результате детального исследования структур линзовидных галактик выяснилось, что в линзовидных галактиках встречаются как большие балджи, так и очень маленькие, бывают вообще линзовидные галактики практически без балджи, с одними дисками.

Но встает вопрос: почему в дисках спиральных галактик идет звездообразование, а в дисках линзовидных галактик звездообразование не идет? И существует ли какая-нибудь генетическая связь между спиральными и линзовидными галактиками, если структура у галактик очень схожая, а современное состояние звездообразования у них очень разное? Исторически возобладала идея о том, что линзовидные галактики – это спиральные галактики, в дисках которых выключили звездообразование. Механизмы выключения звездообразования предлагаются самые разные, и опять же исторически сложилось так, что с самого начала предложения по этим механизмам были связаны в основном с влиянием плотного окружения.

В 1977 году наблюдатели Батчер и Эмлер открыли свой эффект, он с тех пор так и называется – эффект Батчера–Эмлера. Они наблюдали состав галактик в скоплениях на красном смещении 0.4 и обнаружили, что состав скоплений галактик на этом красном смещении отличается от состава массивных скоплений рядом с нами, например от скопления Кома. Если рядом с нами массивные скопления галактик содержат в основном красные галактики, то на красном смещении 0.4 в таких же массивных скоплениях было много галактик голубых. Все закричали: «Эврика! На z=0.4 мы видим скопления в прошлом», – тогда еще в линзовидных галактиках шло звездообразование, а потом оно как-то выключилось, и на сегодняшний момент в скоплениях преобладают линзовидные галактики без звездообразования.

Статистика морфологических типов галактик в скоплениях была очень хорошо сделана знаменитым Аланом Дресслером в 1980 году. Действительно, оказалось, что в близких скоплениях доминирующее население до 60% всех галактик – это линзовидные галактики, то есть это дисковые галактики без звездообразования.

Эффект Батчера-Эмлера стал основой большинства механизмов превращения спиральных галактик в линзовидные, которые были предложены теоретиками.

Потом подоспели космологи и подложили временную шкалу. Дело в том, что иерархическая концепция предполагает, что массивные скопления галактик начали образовываться совсем недавно, в частности, красное смещение 0.4 – 3–4 миллиарда лет назад. Это очень подходящий момент, для того чтобы начать гравитационным скучиванием собирать массивные группы и скопления. И именно с этим событием падения спиральной галактики из разреженного окружения в плотное под действием гравитации можно было бы и связать, казалось бы, событие выключения звездообразования в диске.

Например, галактика попадает в окружение плотных соседей, и они гравитационно воздействуют на нее, обдирая приливным влиянием внешние области газового диска. Если газ из диска исчезает – естественно, прекращается и звездообразование. Или если у галактики был внешний резервуар холодного газа, то приливное гравитационное влияние этот резервуар может с нее содрать, она лишится источников внешней аккреции газа, собственный газ быстро израсходуется на звездообразование, и дальше уже источников газа не будет, и звездообразование само собой тихонечко затухнет.

Есть еще варианты с действием горячей межгалактической среды. Как известно, в богатых скоплениях есть рентгеновский газ, он наблюдается, и эта горячая межгалактическая среда динамическим давлением действительно обдирает газ из внешних областей спиральных галактик, если они быстро движутся через эту горячую межгалактическую среду. Ram pressure, лобовое давление горячей среды, напрямую наблюдается в ближних скоплениях, например в скоплениях в Деве, напрямую наблюдается и в рентгене, и в радиодиапазоне, как летящая спиральная галактика теряет газ из внешних областей, видны хвосты, которые по форме, по динамике полностью согласуются с предсказаниями теории о динамическом воздействии горячей межгалактической среды.

Казалось бы, когда предложено такое большое количество механизмов, можно уже успокоиться и не волноваться, проблема решена. Но дело в том, что выбрать из этих механизмов – это тоже отдельная проблема, и когда механизмов много, то теоретики идут стенка на стенку, каждый выбирает свой любимый механизм, и это мешает сформулировать согласованную и общепринятую теорию формирования линзовидных галактик из спиральных. Однако в какой-то момент все согласились об эпохе, когда произошло это массовое вылупление линзовидных галактик.

С запуском хаббловского космического телескопа стало возможно исследование детальной морфологии далеких галактик на красных смещениях до единицы. И специально запущенный проект исследования морфологий галактик в далеких скоплениях под руководством Алана Дресслера показал, что, действительно, морфологический состав скоплений галактик меняется скачком на красном смещении 0.4. Это оказалась выделенная эпоха, скопления прослеживались примерно до красного смещения 0.8, и в скоплениях на красном смещении 0.7–0.8 доминировали спиральные галактики, а после красного смещения 0.4 они куда-то исчезали, и начинали доминировать линзовидные галактики.

Эта красивая картинка с как бы заменой числа спиральных галактик на число линзовидных галактик произвела сильнейшее впечатление на мировое сообщество, и, казалось бы, вопрос с эпохой формирования линзовидных галактик был окончательно решен. Однако ученые задались вопросом: как отразится это событие массового вылупления линзовидных галактик на свойствах звездного населения их дисков в настоящую эпоху рядом с нами? Ведь если линзовидные галактики в массе своей вылупились всего 4 миллиарда лет назад, это значит, что еще 4 миллиарда лет назад в дисках близких к нам линзовидных галактик шло звездообразование, и это значит, что возраст звезд в близких к нам линзовидных галактиках во внешних областях должен быть порядка 4–5 миллиардов лет.

Оказалось, что внешние диски близких линзовидных галактик, как правило, очень старые, у 60% галактик возраст звезд в дисках больше 10 миллиардов лет. Это означает, что на красном смещении 2 звездообразование, может быть, и шло, но потом оно точно было остановлено, ни о каком красном смещении 0.4 и 0.5 речи уже не идет. Причем есть корреляция с окружением – именно в плотном окружении самые старые диски у линзовидных галактик. То, что наблюдает эффект Батчера-Эмлера на красном смещении 0.4, судя по всему, не имеет никакого отношения к формированию внешних дисков линзовидных галактик. Может быть, звездообразование шло в центральной области, и отсюда голубой цвет на z=0.4, но старые внешние диски линзовидных галактик были уже на красном смещении 2. И этот удивительный факт совершенно не вписывается в современные представления о формировании линзовидных галактик.

Получается, что если диски линзовидных галактик очень старые, то это население возникло на красном смещении 2, и, таким образом, линзовидные галактики были как бы первичным населением. То есть не линзовидные галактики сформировались из спиральных, а, скорее всего, спиральные галактики сформировались из линзовидных.

Посмотрим на нашу собственную Галактику: у нее есть толстый диск с возрастом около 12 миллиардов лет, и у нее есть тонкий диск, в котором самые старые звезды имеют возраст 8–9 миллиардов лет. Это означает, что 10 миллиардов лет назад наша собственная Галактика была линзовидной, у нее был толстый старый диск без признаков звездообразования. Потом, через миллиард лет, началось новое звездообразование, связанное, скорее всего, с тем, что началась аккреция газа, нашелся внешний источник аккреции газа, и началось звездообразование, началось формирование тонкого диска.

Эта судьба, скорее всего, типична для судеб всех дисковых галактик: сформировались сначала все галактики как линзовидные, и большинство из них потом, после красного смещения 1, нашло источник внешней аккреции газа – может быть, действительно начали падать спутники. Если нашелся хороший стабильный источник внешней аккреции газа, пошло звездообразование в тонком диске, и галактика стала спиральной. Если же судьба галактики сложилась так, что внешний источник аккреции не нашелся – например, галактика попала в плотное окружение (в плотном окружении с аккрецией внешнего холодного газа большие проблемы), – тогда линзовидная галактика, которая изначально сформировалась как линзовидная, просто останется линзовидной из-за того, что у нее нет источника аккреции внешнего холодного газа, нет топлива для звездообразования, для формирования тонкого диска.

И тогда действительно все становится на свои места и с возрастом звезд в дисках, и с общим направлением эволюции дисковых галактик.