Строение галактик

p align="left">2.2 Местная группа галактик

Наиболее исследована Местная группа галактик. В неё входят 14 карликовых эллиптических галактик, несколько внегалактических шаровых скоплений и ряд неправильных галактик. Недавно открыта новая галактика Сникерс на расстоянии всего 55 световых лет. К семейству Туманности Андромеды относится 1 спиральная и 2 эллиптические и несколько карликовых галактик. Соседние группы галактик располагаются в 2-5 Мпк от Местной группы и по составу похожи на неё.

Несколько десятков таких групп галактик найдено в пределах 10-20 Мпк около нашей Галактики. Ближайшее скопление галактик находится в созвездии Девы на расстоянии около 20 Мпк (в его составе 7 эллиптических галактик, в т.ч. радиогалактика, 10 спиральных галактик. Всего в скопление входит около 200 галактик высокой и средней светимости (1/3 - эллиптические и линзообразные, остальные - спиральные галактики). Размеры скопления составляют 5 Мпк, центральная плотность - около 500 галактик на 1 Мпк3.

Ярчайшими галактиками в скоплениях являются обычно линзообразные сверхгиганты системы (сD-галактики). Скопления в Деве - центральное сгущение Сверхскопления галактик. Яркие галактики расположены по небу не беспорядочно, а поясом, который называют Млечным Путём (1/3 - эллиптические и линзообразные). В других галактиках преобладают эллиптические галактики.

Соседние с местной группой галактик 10-13-й величины вращаются вокруг скопления в Деве. Общее число галактик нашего сверхскопления, исключая карликовые, - около 20 000. Его соседями являются сверхскопления во Льве (на расстоянии 140 Мпк) и в Геркулесе (190 Мпк). Всего выявлено пока около 50 сверхскоплений.

Глава III. Наша Галактика - Млечный Путь

Наша Галактика - это гигантская звёздная система из 200 млрд. звёзд (среди них и Солнце), газа и пыли. Галактика пронизана магнитными полями, заполнена частицами высоких энергий - космическими лучами. По форме звёзды Галактики образует в пространстве сложную фигуру, которая выглядит как плоский диск с шарообразным утолщением (балдж) в центре. От центральной области к периферии диска отходят спиральные рукава, в которых преимущественно концентрируются наиболее яркие звёзды Галактики. Нашу Галактику относят к широко распространённому классу спиральных галактик.

Наша Галактика состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Большая часть звёзд сосредоточена в гигантском «диске». Диаметр Галактики около 100 000 световых лет ( 30 кпк), толщина её в 10 - 15 раз , а масса Галактики 2•1011 масс Солнца. Около 1% этой массы составляет межзвёздный водород, преимущественно нейтральный. Возраст Галактики около 15 млрд. лет. (По другим данным: возраст Нашей Галактики определяется по синтезу элементов и составляет 9-11 млрд. лет.)

Земной наблюдатель видит диск «с ребра», и огромное количество удалённых звёзд сливается для наблюдателя в одну размытую светящуюся полосу, пересекающую ночное небо - Млечный Путь. Солнечная система находится в Нашей на расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра, лежит в плоскости его симметрии. И обращается вокруг центра со v 220 км/с, совершает один оборот вокруг центра галактики за 250 млн. световых лет (галактический год). Центр нашей Галактики лежит в направлении на созвездие Стрельца. Наша Галактика вращается вокруг центра Местной системы галактик (на 2/3 пути между нашей Галактикой и Туманностью Андромеды, на расстоянии 0,46 Мпк от Нашей Галактики).

Большая часть массы Галактики находится в короне (протяженной сфероидальной области за пределами гало). Звёздный состав Нашей Галактики разнообразен по возрасту, химическом составу, характеру орбит и скоростей, пространственному расположению. В галактике отчётливо выделяются звёздные подсистемы. Диапазон возрастов звёзд очень велик. Химический состав вещества галактики менялся на протяжении её эволюции. Звёзд с первичным химическим составом (из водорода и гелия) не обнаружено. В галактике (за исключением её центра) отдельные звёзды практически не взаимодействуют друг с другом. Звёзды Галактики по-разному распределены в пространстве: старые звёзды заполняют сферический V с r20 кпк (концентрация растёт к центру); молодые (около 100 тыс. лет) концентрируются в гигантский тонкий диск толщиной, в десятки раз меньшей его радиуса. Некоторые звёзды рождаются и в настоящее время. Большинство звёзд имеет «средний» возраст - несколько млрд. лет.

Кроме диска и гало есть ещё корона Галактики, природа населения которой не установлена. Отдельно рассматривают центральную область Галактики - балдж и находящееся в нём ядро. В ядре есть нейтральный водород, который растекается оттуда в плоскости Галактики со v50 км/с. Создают излучение ядра оранжевые звёзды-гиганты. В центре ядра находится сгущение звёзд с малым, но компактным и сильным радиоисточником (Стрелец А). Возможно, что он является чёрной дырой (массой равной примерно миллиону солнечных масс).

К населению диска относятся звёзды главной последовательности с нормальным содержанием тяжёлых элементов, звёзды-гиганты, белые карлики, планетарные туманности и др.

Более молодое население диска выделяют в плоскую подсистему. Это ОВ-звёзды и их ассоциации, межзвёздные газ и пыль, сверхгиганты и цефеиды, зоны ионизированного водорода, пульсары, многие галактические источники гамма- и рентгеновского излучения. Населения гало включает шарообразные скопления (в которых есть источники рентгеновского излучения), субкарлики, переменные звёзды типа RR Лиры с дефицитом тяжёлых элементов. Гало отличается слабым вращением и большой дисперсией скоростей. Первоначальное (дозвёздное) вещество Нашей Галактики содержало по массе около 75% водорода и 25% гелия. Галактика сформировалась из медленно вращающегося водородно-гелиевого газового облака, начальные размеры которого в десятки раз превосходили современные размеры галактики. Характерное время стадии свободного сжатия под действием собственной гравитации, когда рождалось население гало, составляет 1 млрд. лет. В итоге сформировался тонкий газовый диск. Параллельно идёт обогащение межзвёздной среды тяжёлыми элементами. Звёзды диска образуются из вещества, участвовавшего в термоядерных реакциях в недрах звёзд и обогащённого тяжёлыми элементами, поэтому они богаче тяжёлыми элементами, чем образовавшиеся ранее звёзды гало. По той же причине молодое население диска содержит больше тяжёлых элементов, чем старое. Звёздообразование останавливается на несколько млрд. лет, чем можно объяснить разрыв между возрастами звёзд гало и диска. В плоской подсистеме Нашей Галактики находится большое количество газа и пыли (хорошо видимое раздвоение Млечного Пути в северной части неба), поглощающих свет многочисленных далёких звёзд.

В окрестности Солнца существуют три области концентрации молодых объектов: в одной - Солнце (рукав Ориона). Вторая - ветвь Персея (на расстоянии около 1,5 кпк от Солнца). Третья - ветвь Стрельца (на расстоянии около 1.2 кпк). Рукав Ориона - это небольшое ответвление от спирального рукава. В Нашей Галактике центральная область скрыта от нас мощным слоем пыли, ослабляющим свет в десятки тысяч раз. В самом центре Нашей Галактики, в пределах 1 пк, находятся дискретные источники радио-, ИК- и рентгеновские излучения. В центре Галактики обычно выделяют три области. Первая область интересна особенностями кинематики и распределения газа. Вторая область включает в себя звёздный балдж и околоядерный газовый диск. Третья область - ядро с радиусом в несколько пк. Не исключено, что распределение веществ в центре галактики ассиметрично. У нашей Галактики может быть перемычка. Большой интерес представляет химический состав ядра Галактики. Звёздная плотность ядра высока. Температура зон в ядре Галактики выше, чем зон в спиральных рукавах (это говорит об отсутствие повышенного содержания тяжёлых элементов в ядре Галактики).

Глава IV. Магнитные поля. Красное смещение

4.1 Магнитные поля галактик

В 1949 г. астрономы пришли к выводу, что в межзвездном пространстве существуют магнитные поля. Магнитное поле должно заполнять всю Нашу Галактику. В присутствии магнитного поля устанавливается динамическое равновесие между полем и движением вещества, происходит равномерное распределение энергий. Разряженный газ должен образовывать галактическую корону - сферическую подсистему толщиной в несколько тысяч парсек. В 1977 г. была разработана теория регулярного ускорения космических лучей на фронте ударной волны. Слабое магнитное поле может образоваться в небольшом объеме. Так, если в газе образовалось уплотнение, то электроны будут «рассасываться» быстрее, чем ионы, что приводит к возникновению слабых магнитных полей. Может происходить усиление поля (неоднородная температура вещества). В результате вращения Галактики конденсации межзвездного газа, пронизанные магнитными полями, вытягиваются, образуя спиральные ветви. Другое предположение: магнитное поле Галактики имеет внегалактическое происхождение. Слабое поле могло существовать веществе, из которого сформировалась Галактика. В процессе эволюции нашей звездной системы оно усиливалось и закручивалось ее вращением.

Первым признаком магнитного поля является поляризация света (открыта астрономами Домбровским и Хильтнером). Вторым свидетельством являются космические лучи - заряженные тяжёлые элементарные частицы высоких энергий, влетающие со всех сторон в земную атмосферу, движение которых отклоняется от прямолинейного из-за взаимодействия с магнитным полем Галактики. Мощные потоки заряженных тяжёлых элементарных частиц высоких энергий образуются при вспышках сверхновых звёзд (Гинзбург и Шкловский). И тогда заряженные тяжёлые частицы накапливаются в Галактике. Если в Галактике имеется магнитное поле, то эмиссионная линия нейтрального водорода должна обнаружить расщепление. Английский астроном Дэвис подтвердили это своим наблюдением.

Магнитное поле удерживает космические лучи в галактике, влияет на движение межзвездного газа. Поляризация обусловлена взаимодействием света с пылинками удлинённой формы, которые ориентированы магнитным полем. Более сильные поля связаны с плотными облаками газа. В галактической окрестности Солнца известны области регулярного поля с усиленным синхротронным излучением (дугообразно выступают над плоскостью галактического диска и являются старыми остатками вспышек сверхновых звёзд). В других спиральных галактиках обнаружены крупномасштабные магнитные поля, идущие вдоль спиральных ветвей. Они проявляются в повышенной интенсивности синхротронного излучения из области ветвей. В ветвях происходит сжатие газа, и магнитное поле, будучи «вмороженным» в газ, также сжимается. При этом оно «тянет» за собой релятивистские электроны. В результате увеличения напряжённости поля и плотности релятивистских электронов интенсивность синхротронного излучения увеличивается во много раз.

Магнитное поле в спиральных рукавах Нашей Галактики направлено приблизительно вдоль рукавов. давление поля в направлении, перпендикулярном силовым линиям, оказывается достаточным, чтобы уравновесить силу тяжести, действующую на газ. Это не позволяет межзвёздному газу стечь к плоскости Галактики и быстро сконденсироваться в звёзды. Можно сказать, что межзвёздный газ сохранился благодаря тому, что в нём есть магнитное поле.

4.2 Красное смещение. Закон Хаббла.

Постоянная Хаббла

Одна из проблем внегалактической астрономии связана с определением расстояний до галактик и их размеров. В настоящее время измерены красные смещения тысяч галактик и квазаров. В 1912 г. американский астроном В. Слайфер обнаружил эффект красного смещения в спектрах далёких галактик. В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл, сравнивая расстояния до галактик и их красные смещения, обнаружил, что последние растут в среднем пропорционально расстояниям (закон Хаббла), что и подтверждало гипотезу об удалении галактик, т. е. о расширении Метагалактики - видимой части Вселенной.

Красное смещение - увеличение волн линий в спектре источника (смещение линий в сторону красной части спектра) по сравнению с линиями эталонных спектров. Наибольшие красные смещения наблюдаются в спектрах далёких внегалактических объектов - галактик и квазаров - и интерпретируются как следствие расширения Вселенной. Величина смещения в первом приближении прямо пропорциональна лучевой скорости объектов, которая для внегалактических объектов пропорциональна расстоянию.

Закон Хаббла обычно используется для определения расстояний до внегалактических объектов по их красному смещению, если последнее достаточно велико. Красное смещение для наиболее далёких из известных галактик составляют приблизительно больше 1, а для ряда квазаров превышают 3,5.

Формула определения расстояний до галактик:

где r- расстояние до галактики; с - скорость света;

H - постоянная Хаббла (составляет от 50 до 100 км/(с•Мпк)). Значение постоянной Хаббла характеризует скорость расширения Вселенной в современную эпоху и по порядку величины определяет время, протекшее с начала расширения до сегодняшнего момента. Для многих далёких внегалактических объектов закон Хаббла служит единственно достаточно надёжным способом оценки расстояний. Скорости удаления по красному смещению определяются сравнительно легко, в результате из данных о скорости и расстоянии находят постоянную Хаббла.

Галактики и скопления галактик обладают ещё собственными движениями. Поэтому экспериментально определённое значение постоянной может считаться известным с точностью 50%. Если принять Н=75 км/(сМпк), то расширение Вселенной началось приблизительно 13 млрд. лет назад. Другие оценки дают значение 10-20 млрд. лет. (По последним данным обнаружен квазар на расстоянии 24 млрд. световых лет от Земли.)

Для очень больших расстояний необходимо учитывать эффекты общей относительности.

В этом случае формулу лучше записывать в виде:

,

где R - масштаб, определяемый, например, расстоянием между любыми двумя скоплениями галактик в фиксированный момент в расширяющейся Вселенной не зависит от масштабов, т.е. является постоянной величиной.

Красное смещение надёжно подтверждает теоретический вывод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой.

Глава V. Крупномасштабная структура Вселенной

В конце XVIII в. Гершель В. построил первую модель Галактики. В ХХ в. Э. Хаббл начал работу по исследованию строения галактического мира. К 1943 г. он подсчитал количество галактик до 20-й звёздной величины на 1238 участках, которые равномерно распределил на небесной сфере. И нашёл, что на один квадратный градус в среднем приходится 131 галактика со звёздной величиной до 20m. Галактики образуют группы скопления, в которые входят от десятка до десятков тысяч членов. Сейчас известно около 4000 таких скоплений (Волосы Вероники, расстояние 400 световых лет от нас, диаметр почти 12, насчитывается около 40 тысяч галактик). Встречаются галактические скопления с общим количеством около 100 тысяч членов. Наша галактика имеет спутники: карликовые звёздные системы (Магеллановы Облака, Туманность Андромеды и ещё около 15 галактик-карликов), с которыми она образует Местную группу диаметром около 3 млн. световых лет. Обнаружено около 10 сверхскоплений - огромных систем размерами 50-150 Мпк, состоящих из нескольких скоплений, многих мелких групп и одиночных галактик. Все сверхскопления сильно сплюснуты или же сильно вытянуты и по форме напоминают цепочки. В направлении созвездия Персея на расстоянии от 24 до 80 Мпк галактик нет. «Чёрная область» обнаружена также в созвездиях Волосы Вероники, Геркулеса, Рыб. Вне указанных пределов наблюдается избыточная плотность галактик. Неоднородность в распределении галактик имеет локальный характер и в больших масштабах «в среднем» Вселенная однородна.

Совокупность галактик всех типов, квазаров, межгалактической среды образует Метагалактику. Одно из свойств Метагалактики - её постоянное расширение. В прошлом расстояния между галактиками были меньше. Миллиарды лет назад границы газовых облаков смыкались и образовывали однородное газовое облако, испытывавшее постоянное расширение. Свойство Метагалактики - равномерное распределение в ней вещества и галактик, она однородна и изотропна. Высказывается мысль о множественности «метагалактик», каждая из которых имеет свой набор фундаментальных физических свойств, пространства и времени, свои тип нестационарности, организации и др. Эти гипотезы не противоречат современным математическим и физико-теоретическим представлениям.

Изучение пространственного распределения галактик выявляет крупномасштабную структуру вселенной. Средние расстояния между галактиками в группах и скоплениях составляют несколько сотен кпк; (это примерно в 10-20 раз больше размера крупнейших галактик). Средние расстояния между группами галактик, одиночными галактиками и кратными системами составляют 1-2 Мпк, расстояния между скоплениями - десятки Мпк. Таким образом, галактики заполняют пространство с большей относительной плотностью, чем звёзды внутригалактическое пространство (расстояния между звёздами в среднем в 20 млн. раз больше их диаметров).

Возраст доступной для наблюдения части Вселенной (Метагалактики) оценивается по закону расширения Метагалактики. Согласно закону Хаббла, галактики удаляются друг от друга со скоростью 50-100 км/с на Мпк. Если эта скорость мало изменилась с начала расширения, то величина, обратная скорости, даёт оценку максимального возраста Метагалактики. Однако обычно предполагают, что расширение Метагалактики постепенно замедляется со временем, поэтому возраст её должен быть несколько меньше.

В соответствии с распространёнными представлениями возраст Вселенной составляет 15 млрд. лет с каждым днем доступная земным телескопам область вселенной возрастает на 1018 кубических световых лет (по последним данным обнаружен квазар на расстоянии 24 млрд. световых лет от Земли). Оценка возраста в сильной степени зависит от точности определения постоянной расширения и от величины замедления, т. е. предполагаемой модели мира.



Заключение

По нашим человеческим меркам галактики невообразимо огромны. Изучение мира галактик является сейчас наиболее бурно развивающейся областью астрономии, которое требует мощных инструментов, а также новейших средств и методов исследований слабых объектов (радиоастрономии).

Недавно была сформулирована новая версия: «космическое согласие». Во Вселенной должна быть ещё какая-то дополнительная энергия, способная на космологических расстояниях противостоять гравитационному притяжению материи. Наблюдения за скоплениями галактик говорят о том, что барионная и тёмная материи могут обеспечить 20-30% необходимой плотности энергии. Около ѕ этой плотности следует отнести на счёт тёмной энергии, которая и ускоряет расширение Вселенной. Второе направление перспективных исследований включает накопление данных о возрастании скорости формирования крупномасштабных структур вселенной типа скоплений галактик.

Галактики располагаются примерно там, где плотность скрытой массы велика. Она «помогает» галактикам сформироваться. Большая часть видимой материи собралась в галактики. Чтобы определить массу Вселенной, надо измерить массы всех галактик, их 1011 шт., и в каждой сверкает по нескольку млрд. звёзд. Получаем примерно 1052 кг - такова масса всех звёзд в видимой части Вселенной. Недоучтёнными до последнего времени были около 1053 кг. Исследуя спектры звёзд, учёные определяют их скорости, судят о движении внутри галактики и анализируют перемещения галактик внутри скоплений. При изучении вращения галактик было обнаружено, что скорости движения звёзд оказались слишком большими. Зависимость скорости от расстояния до центра галактики такова, что наличием одной массивной чёрной дыры в центре галактики её объяснить нельзя. Современные учёные пока не располагают данными о количестве и массе чёрных дыр даже в нашей Галактике, не говоря уже о всей вселенной.

Основную работу по удержанию звёзд в галактике совершают незаметные нейтрино, которые заполняют все пространство. Существует несколько моделей формирования галактик, и присутствие скрытой массы является необходимой составляющей большинства из них.

Список литературы

1. Агекян Т. А. Звёзды, галактики, Метагалактика. - М.: Наука, 1981.

2. Бронников К. Постулаты относительного мира. // Вокруг света.

3. Горелов А. А. Концепции современного естествознания. - М.: Центр, 2002.

4. Квазар за пределами Вселенной. // Наука и жизнь. - № 9. - 2000.

5. Климишин И. А. Астрономия наших дней. - М.: Наука, 1986.

6. Найдыш В. М. Концепции современного естествознания: Учеб. Пособие. - М.: Гардарики, 2000..

7. Ройзен И. Новый сюрприз Вселенной: тёмная энергия. // Наука и жизнь. - № 3. - 2004. - С. 38 - 42.

8. Физика космоса: Маленькая энциклопедия / Гл. редактор Р. А. Сюняев. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Сов. энциклопедия, 1986.

Страницы: 1, 2