На первый взгляд может показаться, что галактики беспорядочно рассеяны во Вселенной, на деле же космический хаос имеет свои закономерности. Разнообразные по форме и размеру галактики группируются в скопления, которые в свою очередь являются частями еще больших группировок, названных «сверхскоплениями». Например, Млечный Путь вместе с Туманностью Андромеды и еще 34 меньшими галактиками входит в состав так называемой Местной группы, имеющей в поперечнике несколько миллионов световых лет.
Размеры галактик простираются от карликовых с какими-нибудь десятками миллионов звезд до массивных — с тысячами миллиардов звезд. Хотя, несмотря на их внешнее разнообразие, все они могут быть отнесены к тому или иному типу строения.
Сферические или эллипсоидные галактики имеют красноватый цвет, создаваемый их состарившимися обитателями. Их размеры меняются от гигантских звездных систем диаметром в сотни килопарсек, до карликовых — порядка одного килопарсека. И находятся они почти всегда в богатых галактических скоплениях.
Весьма распространены спиральные (или дисковые) галактики. Их плоские диски погружены в разряженное слабосветящееся сферическое облако слабых старых звезд и газа — гало. На диске заметен спиральный узор из двух или нескольких закрученных в одну сторону рукавов, выходящих иногда из центра галактики. Эффектные спиральные рукава выделяются за счет сверкающих, молодых голубых звезд. У некоторых спиральных систем в центральной части имеется почти прямая звездная перемычка, от которой начинаются спиральные рукава. Некоторые спиральные системы, видимые с ребра, похожи на толстое или тонкое веретено, часто пересеченное темной полосой поглощающей материи. В отличие от них линзовидные галактики внешне гораздо менее привлекательны и фотогеничны — они хоть и обладают выпуклой центральной частью и тонким диском, как и спиральные галактики, но не имеют их эффектных спиральных рукавов, но иногда в наружных частях «линз» видны некоторые их зачатки, перемычки и наружные кольца.
Во время наблюдений было обнаружено и множество совершенно бесформенных, клочковатых галактик, получивших название неправильных. Около половины вещества в них составляет межзвездный газ.
Полная энергия, которую испускает «нормальная» галактика, представляет сумму излучений от всех ее звезд. Но есть такие галактики, которые в радио-, инфракрасной, ультрафиолетовой и рентгеновской областях электромагнитного спектра испускают энергии больше, чем следует. Такие галактики называются «активными». В чем же источник этой дополнительной энергии? Ответом на этот вопрос стало открытие черных дыр — объектов, в которых материя сжата настолько плотно, что не выпускает за свои пределы никакого излучения. Если черная дыра с массой от миллиона до миллиарда солнечных масс находится в центре галактики с большой плотностью вещества, то это вещество «засасывается» черной дырой. При этом гравитационные силы настолько велики, что заставляют падающее вещество излучать, превращая галактику в активную. Именно это излучение и выдает ученым присутствие черных дыр.
Самые удаленные и самые яркие объекты — квазары (сокр. от «квазизвездные источники») из области меньшей, чем наша Солнечная система, испускают больше света, чем вся наша Галактика. По-видимому, это сверхмассивные черные дыры, находящиеся в центрах галактик, которые преобразуют гравитационную энергию падающей материи в излучение, заставляя его светиться. Возраст самых отдаленных квазаров, обнаруженных астрономами, составляет примерно 12 миллиардов лет, что лишь немногим меньше возраста Вселенной и свидетельствует о «бурной» молодости галактик.
На ранних этапах эволюции Вселенной, когда ее размеры были в 3—5 раз меньше современных, квазаров было значительно больше, чем сейчас. В настоящее время считается, что черные дыры есть в центрах почти всех близких галактик и представляют они собой бывшие квазары, собирающие материю значительно медленнее, чем они это делали в пору своей юности. И происходит это совсем не потому, что они «выдохлись», просто в окрестностях черных дыр стало меньше материала для поглощения. Вполне возможно, что квазары — это определенный этап развития галактики и что все современные галактики, в том числе и наша собственная, когда-то были квазарами.
Близкими родственниками квазаров, очевидно, являются Сейфертовские галактики и радиогалактики. Сейфертовскими называются галактики, в видимой области излучения похожие на обычные спиральные, но с очень активными ядрами, мощность излучения которых к тому же сильно меняется со временем, указывая на происходящие там грандиозные процессы. Радиогалактики, отличающиеся мощным излучением в радиодиапазоне, являются огромными эллиптическими галактиками. Мощности Сейфертовских и радиогалактик также обеспечиваются сверхмассивными черными дырами, находящимися в их центрах. Не исключено, что все это разнообразие типов — просто определенные этапы эволюции галактик, которые наблюдаются во Вселенной сейчас.
Согласно принятой иерархической модели формирования галактик первыми структурами, образовавшимися в ранней Вселенной, являются маленькие протогалактики, массы которых составляют всего несколько тысяч Солнц. Появляется все больше доказательств того, что главными движущими силами эволюции галактик и причиной их разнообразия являются взаимодействие и столкновение галактик друг с другом. При этом не следует думать, что столкновение двух галактик будет представлять собой бесчисленные столкновения между входящими в них звездами. На самом деле, вероятность столкновения двух звезд очень мала, потому что размеры их очень малы по сравнению со средним расстоянием между ними. Но межзвездное пространство заполнено газом и пылью, и именно эти компоненты взаимодействуют, когда галактики сталкиваются. Гравитационное взаимодействие приводит к нарушению структуры газопылевой среды и к перекачиванию вещества из одной галактики в другую.
Трение, возникающее между газом в сталкивающихся галактиках, порождает ударные волны, которые могут вызвать образование новых звезд. Новые звезды в первые несколько миллионов лет своей жизни имеют весьма необычную светимость и голубизну, а потому обнаружение таких звезд является наиболее очевидным признаком произошедшего столкновения.
Эти процессы радикально влияют на их структуру. Например, две спиральные галактики могут слиться и сформировать эллиптическую. Большие галактики поглощают маленькие и растут до еще больших размеров. Все эти процессы длятся миллионы лет (не так уж много по астрономическим масштабам времени), но вот человеческой жизни явно не хватит на то, чтобы зафиксировать все их стадии. Для того чтобы увидеть динамику, нужно наблюдать несколько пар взаимодействующих галактик в различные моменты их слияния и затем составить последовательность изображений во времени.
Многие активные галактики, включая квазары, также являются частью взаимодействующих или сливающихся систем. Множество далеких, а следовательно, очень старых галактик носят следы разрушения, что свидетельствует о том, что в ранней Вселенной столкновения галактик были скорее правилом, чем исключением. Проведенные вычисления показывают, что большинство скоплений галактик уже прошло через одно или более таких столкновений. Наш Млечный Путь, очевидно, тоже является результатом слияния небольших галактик. Существует маленькая карликовая галактика, которая вливается в нашу прямо сейчас, а еще восемь близрасположенных карликовых галактик сольются с ней через некоторое время.
В 1964 году физики Арно Пензиас и Роберт Вилсон, сотрудники Bell Laboratories, занимавшиеся обслуживанием радиоантенны слежения за американским космическим спутником «Эхо» в Холмделе (Нью- Джерси), решили проверить некоторые свои научные гипотезы о радиоизлучении тех или иных объектов Вселенной. Антенна была самым чувствительным на тот момент детектором СВЧ-волн, а потому сначала ее надо было правильно настроить, чтобы исключить возможные помехи.
Для тестирования была выбрана длина волны 7,35 см, на которой не излучал ни один из известных источников. Работа долго не клеилась, поскольку антенна постоянно фиксировала некий дополнительный посторонний шум, от которого никак нельзя было избавиться. Проверка всех компонентов и даже удаление из дорогостоящей аппаратуры неизвестно как попавшего туда голубиного помета эффекта не принесли. Шум не зависел ни от направления антенны, что означало, что его источник находится за пределами Земли и ее атмосферы, ни от времени суток, то есть не мог быть связан с Солнцем или планетами. Если бы причина крылась в нашей Галактике, то интенсивность излучения изменялась бы из-за вращения Земли вокруг своей
