Происхождение и эволюция галактик. Галактика Млечный Путь
Галактики наблюдали с незапамятных времен. Человек с острым зрением может различить на ночном небосводе светлые пятна, похожие на капли молока. В X веке персидский астроном Абд-аль-Раман аль-Суфи упомянул в своей «Книге о неподвижных звездах» два подобных пятна, известных теперь как Большое Магелланово облако и галактика М31, она же Андромеда. С появлением телескопов астрономы наблюдали все больше таких объектов, получивших название туманностей. Если английский астроном Эдмунд Галлей в 1716 году перечислил всего шесть туманностей, то каталог, опубликованный в 1784 году астрономом французского военно-морского флота Шарлем Мессье, содержал уже 110 - и среди них четыре десятка настоящих галактик (в том числе и М31). В 1802 году Уильям Гершель опубликовал перечень из 2500 туманностей, а его сын Джон в 1864 году издал каталог, где было более 5000 туманностей.
ГАЛАКТИКА NGC 3190 |
Природа этих объектов долгое время ускользала от понимания. В середине XVIII века некоторые проницательные умы увидели в них звездные системы, подобные Млечному Пути, однако телескопы в то время не предоставляли возможности проверить эту гипотезу. Столетием позже восторжествовало мнение, что каждая туманность - это газовое облако, подсвеченное изнутри молодой звездой. Позже астрономы убедились, что некоторые туманности, в том числе и Андромеда, содержат множество звезд, однако еще долго не было ясно, расположены они в нашей Галактике или за ее пределами. И лишь в 1923-1924 годах Эдвин Хаббл определил, что расстояние от Земли до Андромеды как минимум троекратно превосходит диаметр Млечного Пути (на самом деле примерно в 20 раз) и что МЗЗ, другая туманность из каталога Мессье, удалена от нас на никак не меньшую дистанцию. Эти результаты положили начало новой научной дисциплине - галактической астрономии.
Карлики и гиганты
Вселенная заполнена галактиками разного размера и разных масс. Их количество известно весьма приблизительно. Семь лет назад орбитальный телескоп «Хаббл» за три с половиной месяца обнаружил около 10 000 галактик, сканируя в южном созвездии Печи участок небосвода, в сто раз меньший, нежели площадь лунного диска. Если предположить, что галактики распределяются по небесной сфере с такой же плотностью, получится, что в наблюдаемом космосе их 200 млрд. Однако эта оценка сильно занижена, поскольку телескоп не смог заметить великое множество очень тусклых галактик.
 |
Наша ближайшая соседка, галактика Андромеда (М31) - один из излюбленных небесных объектов для любительских астрономических наблюдений и фотосъемки. И не только любительской - на иллюстрации представлен комбинированный мультиспектральный вид М31, сделанный космическим телескопом Spitzer и аппаратом NASA Galaxy Evolution Explorer (GALEX). УФ-глаза GALEX открывают огненную натуру Андромеды - горячие области, наполненные молодыми (показаны синим) и старыми (зеленые точки и яркая желтая область в центре галактики) звездами. Чувствительный ИК-телескоп Spitzer видит другую, холодную сторону - области формирования звезд (показано красным), скрытые от посторонних глаз облаками пыли и газа. Фиолетовым показаны области, где горячие массивные звезды сосуществуют с холодными, окруженными пылевыми облаками. |
ПОДГЛЯДЫВАЯ ЗА СОСЕДКОЙ |
Среди галактик есть и карлики, и гиганты. В авторитетном оксфордском справочнике Companion to Cosmology 2008 года издания написано, что самые мелкие галактики содержат миллионы звезд, а самые крупные - триллионы.
Эта информация уже успела устареть. Как рассказал профессор Техасского университета в Остине Джон Корменди, в последние годы было открыто семейство минигалактик всего лишь с сотнями звезд: «Это так называемые ультракомпактные карлики, линейные размеры которых лежат в пределах 20 парсек. Несмотря на малое количество звезд, масса таких галактик составляет миллионы и десятки миллионов солнечных масс. Скорее всего, в этом в основном повинна темная материя, хотя некоторые ученые полагают, что немалый вклад принадлежит черным дырам и нейтронным звездам. Как бы то ни было, старое определение галактики как крупного автономного звездного скопления больше не работает». На верхней границе галактического спектра находятся сверхгиганты диаметром порядка мегапарсека, у которых численность звездного населения достигает сотни триллионов.
Галактики различаются и морфологией (то есть формой). В целом их подразделяют на три основных класса - дисковидные, эллиптические и неправильные (иррегулярные). Это общая классификация, есть
гораздо более детальные.
Дисковидная галактика - это звездный блин, вращающийся вокруг оси, проходящей через его геометрический центр. Обычно по обе стороны центральной зоны блина имеется овальное вздутие -
балдж (от англ. bulge). Балдж тоже вращается, однако с меньшей угловой скоростью, нежели диск. В плоскости диска нередко наблюдаются спиральные ветви, изобилующие сравнительно молодыми
яркими светилами. Однако есть галактические диски и без спиральной структуры, где таких звезд много меньше.
Центральную зону дисковидной галактики может рассекать звездная перемычка - бар. Пространство внутри диска заполнено газопылевой средой - исходным материалом для новых звезд и планетных систем.
Галактика имеет два диска: звездный и газовый. Они окружены галактическим гало - сферическим облаком разреженного горячего газа и темной материи, которая и вносит основной вклад в полную массу
галактики. Гало вмещает также отдельные старые звезды и шаровые звездные скопления (глобулярные кластеры) возрастом до 13 млрд лет. В центре едва ли не любой дисковидной галактики, как с балджем,
так и без балджа, расположена сверхмассивная черная дыра. Самые крупные галактики этого типа содержат по 500 млрд звезд.
Эллиптическая галактика, как и следует из ее названия, имеет форму эллипсоида. Она не вращается как целое и потому не обладает осевой симметрией. Ее звезды, которые в основном имеют сравнительно
небольшую массу и солидный возраст, обращаются вокруг галактического центра в разных плоскостях и иногда не по отдельности, а сильно вытянутыми цепочками. Новые светила в эллиптических
галактиках загораются редко в связи с дефицитом исходного сырья - молекулярного водорода.
Как самые крупные, так и самые мелкие галактики относятся к эллиптическому типу. Общая доля его представителей в галактическом населении Вселенной всего около 20%. Эти галактики (возможно, за
исключением самых мелких и тусклых) также скрывают в своих центральных зонах сверхмассивные черные дыры. Эллиптические галактики имеют и гало, но не столь четкие, как у дисковидных.
ЗВЕЗДНОЕ РАССЕЛЕНИЕ |
Галактики распределены в космическом пространстве вовсе не хаотично. Массивные галактики нередко окружены небольшими галактиками-спутниками.
|
ЗВЕЗДНОЕ РАССЕЛЕНИЕ |
Все прочие галактики считаются иррегулярными. Они содержат много пыли и газа и активно порождают молодые звезды. На умеренных расстояниях от Млечного Пути таких галактик немного, всего-то 3%. Однако среди объектов с большим красным смещением, чей свет был испущен не позже, чем через 3 млрд лет после Большого взрыва, их доля резко возрастает. Судя по всему, все звездные системы первого поколения были невелики и обладали неправильными очертаниями, а крупные дисковидные и эллиптические галактики возникли гораздо позже.
Рождение галактик
Галактики появились на свет вскоре после звезд. Считается, что первые светила вспыхнули никак не позднее, чем спустя 150 млн лет после Большого взрыва.
В январе 2011 года команда астрономов, обрабатывавших информацию с космического телескопа «Хаббл», сообщила о вероятном наблюдении галактики, чей свет ушел в космос через 480 млн лет после Большого взрыва. В апреле еще одна исследовательская группа обнаружила галактику, которая, по всей вероятности, уже вполне сформировалась, когда юной Вселенной было около 200 млн лет.
Условия для рождения звезд и галактик возникли задолго до его начала. Когда Вселенная прошла возрастную отметку в 400 000 лет, плазма в космическом пространстве заменилась смесью из нейтрального гелия и водорода. Этот газ был еще чересчур горяч, чтобы стянуться в молекулярные облака, дающие начало звездам. Однако он соседствовал с частицами темной материи, изначально распределенными в пространстве не вполне равномерно - где чуть плотнее, где разреженнее. Они не взаимодействовали с барионным газом и потому под действием взаимного притяжения свободно стягивались в зоны повышенной плотности. Согласно модельным вычислениям, уже через сотню миллионов лет после Большого взрыва в космосе образовались облака темной материи величиной с нынешнюю Солнечную систему. Они объединялись в более крупные структуры, невзирая на расширение пространства. Так возникли скопления облаков темной материи, а потом и скопления этих скоплений. Они втягивали в себя космический газ, предоставляя ему возможность сгущаться и коллапсировать. Таким путем появились первые сверхмассивные звезды, которые быстро взрывались сверхновыми и оставляли после себя черные дыры. Эти взрывы обогащали космическое пространство элементами тяжелее гелия, которые способствовали охлаждению коллапсирующих газовых облаков и потому делали возможным появление менее массивных звезд второго поколения. Такие звезды уже могли существовать миллиарды лет и потому были в состоянии формировать (опять-таки с помощью темной материи) гравитационно связанные системы. Так возникли долгоживущие галактики, в том числе и наша.
«Многие детали галактогенеза еще скрыты в тумане, - говорит Джон Корменди. - В частности, это относится к роли черных дыр. Их массы варьируют от десятков тысяч масс Солнца до абсолютного на сегодняшний день рекорда в 6,6 млрд солнечных масс, принадлежащего черной дыре из ядра эллиптической галактики М87, расположенной в 53,5 млн световых лет от Солнца. Дыры в центрах эллиптических галактик, как правило, окружены балджами, составленными из старых звезд. Спиральные галактики могут вовсе не иметь балджей или же обладать их плоскими подобиями, псевдобалджами. Масса черной дыры обычно на три порядка меньше массы балджа - естественно, если оный наличествует. Эта закономерность подтверждается наблюдениями, охватывающими дыры массой от миллиона до миллиарда солнечных масс».
МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ |
Солнце обращается вокруг центра вполне рядовой спиральной галактики, в состав которой входят 200-400 млрд звезд.
|
МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ |
Как полагает профессор Корменди, галактические черные дыры набирают массу двумя путями. Дыра, окруженная полноценным балджем, растет за счет поглощения газа, который приходит к балджу из внешней зоны галактики. Во время слияния галактик интенсивность поступления этого газа резко возрастает, что инициирует вспышки квазаров. В результате балджи и дыры эволюционируют параллельно, что и объясняет корреляцию между их массами (правда, могут работать и другие, еще неизвестные механизмы).
Иное дело безбалджевые галактики и галактики с псевдобалджами. Массы их дыр обычно не превышают 10 4 -10 6 солнечных масс. По мнению профессора Корменди, они подкармливаются газом за счет случайных процессов, которые происходят недалеко от дыры, а не простираются на целую галактику. Такая дыра растет вне зависимости от эволюции галактики или ее псевдобалджа, чем и обусловлено отсутствие корреляции между их массами.
Растущие галактики
Галактики могут увеличивать и размер, и массу. «В далеком прошлом галактики делали это гораздо эффективней, нежели в недавние космологические эпохи, - объясняет профессор астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Санта-Круз Гарт Иллингворт. - Темпы рождения новых звезд оценивают в терминах годового производства единицы массы звездного вещества (в этом качестве выступает масса Солнца) на единицу объема космического пространства (обычно это кубический мегапарсек). Во времена формирования первых галактик этот показатель был весьма невелик, а затем пошел в быстрый рост, продолжавшийся до тех пор, пока Вселенной не исполнилось 2 млрд лет. Еще 3 млрд лет он был относительно постоянным, потом начал снижаться почти пропорционально времени, и снижение это продолжается по сей день. Так что 7-8 млрд лет назад средний темп звездообразования в 10-20 раз превышал современный. Большинство доступных наблюдению галактик уже полностью сформировались в ту далекую эпоху».
В общих чертах эта тенденция понятна. Галактики увеличиваются двумя основными способами. Во-первых, они получают свежий материал для звездообразования, втягивая из окружающего пространства газ и частицы пыли. В течение нескольких миллиардов лет после Большого взрыва этот механизм исправно работал просто потому, что звездного сырья в космосе хватало всем. Потом, когда запасы истощились, темп звездного рождения упал. Однако галактики нашли возможность увеличивать его за счет столкновения и слияния. Правда, для реализации этого варианта необходимо, чтобы сталкивающиеся галактики располагали приличным запасом межзвездного водорода. Крупным эллиптическим галактикам, где его практически не осталось, слияние не помогает, зато в дисковидных и неправильных оно работает.
Посмотрим, что происходит при слиянии двух примерно одинаковых галактик дискового типа. Их звезды практически никогда не сталкиваются - слишком велики расстояния между ними. Однако газовый диск
каждой галактики ощущает приливные силы, обусловленные притяжением соседки. Барионное вещество диска теряет часть углового момента и смещается к центру галактики, где возникают условия для
взрывного роста скорости звездообразования. Часть этого вещества поглощается черными дырами, которые тоже набирают массу. В заключительной фазе объединения галактик черные дыры сливаются,
а звездные диски обеих галактик теряют былую структуру и рассредоточиваются в пространстве. В итоге из пары спиральных галактик образуется одна эллиптическая. Но это отнюдь не полная картина.
Излучение молодых ярких звезд способно выдуть часть водорода за пределы новорожденной галактики. В то же время активная аккреция газа на черную дыру вынуждает последнюю время от времени
выстреливать в пространство струи частиц огромной энергии, подогревающие газ по всей галактике и тем препятствующие формированию новых звезд. Галактика постепенно затихает - скорее всего,
навсегда.
 |
ИССЛЕДОВАТЕЛИ ИЗ ПИТТСБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА, Калифорнийского университета в Ирвине и Атлантического университета Флориды смоделировали ситуацию столкновения Млечного Пути и предшественницы карликовой эллиптической галактики в Стрельце (Sagittarius Dwarf Elliptical Galaxy, SagDEG). Они проанализировали два варианта столкновений - с легкой (3 х 10 10 масс Солнца) и тяжелой (10 11 масс Солнца) SagDEG. На рисунке слева направо показаны результаты 2,7 млрд лет эволюции Млечного Пути без взаимодействия с карликовой галактикой и с взаимодействием с легким и тяжелым вариантами SagDEG. |
ИССЛЕДОВАТЕЛИ ИЗ ПИТТСБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА |
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ |
На рисунке результаты эволюции в различные моменты времени - начальная конфигурация (а), через 0,9 (b), 1,8 (c) и 2,65 млрд лет (d). Согласно модельным расчетам, бар и спиральные рукава Млечного Пути могли сформироваться в результате столкновений с SagDEG, которая изначально тянула на 50-100 млрд солнечных масс. Дважды она проходила сквозь диск нашей Галактики и теряла часть своей материи (и обычной, и темной), вызывая пертурбации его структуры. Нынешняя масса SagDEG не превышает десятков миллионов солнечных масс, и очередное столкновение, которое ожидают не позже чем через 100 млн лет, скорее всего, станет для нее последним. |
 |
Галактики неодинакового калибра сталкиваются по-иному. Крупная галактика способна поглотить карликовую (сразу или в несколько приемов) и при этом сохранить собственную структуру. Этот галактический каннибализм тоже может стимулировать процессы звездообразования. Карликовая галактика полностью разрушается, оставляя после себя цепочки звезд и струи космического газа, которые наблюдаются как в нашей Галактике, так и в соседней Андромеде. Если же одна из сталкивающихся галактик не слишком превосходит другую, возможны даже более интересные эффекты.
В ожидании супертелескопа
Г
алактическая астрономия дожила почти до девяностолетия. Она начала практически с нуля и достигла очень многого. Однако количество нерешенных проблем очень велико. Так, никто не знает, когда
и как сформировались первые галактики и какими путями образуются галактики с дисковой структурой. «Ученые ожидают очень много от инфракрасного орбитального телескопа «Джеймс Уэбб», запуск
которого намечен на 2018 год, - говорит Гарт Иллингворт. - К сожалению, пока не ясно, будет ли этот проект завершен - по причине финансовых трудностей. Хочется надеяться, что он состоится».
> Как появляются крупные галактики?
Как рождаются большие галактики : исследование красного смещения, использование Хаббла и Очень Большого Телескопа, спиральные и эллиптические галактики, слияние.
Большая часть современных больших галактик – спиральные, представленные в виде центральной выпуклости и вращающегося вокруг диска. В качестве примеров можно назвать Андромеду или даже нашу галактику. Но как сформировались спиральные галактики? Почему внутри заметна массивная выпуклость?
Согласно данным, примерно половина сегодняшних звезд родились 8000-4000 миллионов лет назад из-за активной волны формирования , произошедшей в Световых Инфракрасных Галактиках.
Благодаря этому и прочим сведениям удалось создать новую версию – «восстановление спирали». Она гласит, что современные спирали появились в ходе одного или двух слияний. Если так и есть, то это будет революция в понимании галактического процесса формирования.
Инструменты образования крупных галактик
Как появились галактики? А звезды? Подобные вопросы все еще могут ставить в неловкое положение астрономов. Это фундаментальные проблемы, которые можно решить при помощи наземных и космических телескопов.
Исследование выглядело амбициозным и обещало отнять много времени. Цель – изучить на разных длинах волн почти 200 галактик с превышением красного смещения на 0.4 (дистанция в 4000 миллионов световых лет). Для этого использовали Хаббл, Очень Большой Телескоп (VLT), Инфракрасную космическую обсерваторию (ISO) и Сверхбольшую антенную решетку.
Результаты исследования крупных галактик
Конечно, все эти проборы дали огромный поток информации. Основываясь на ближних инфракрасных галактических светимостях стало ясно, что большая часть достигает по массе в 30000-300000 миллионов раз больше Солнечной. Кроме того, несмотря на то, что они называются Световыми Инфракрасными Галактиками, только 1/6 объектов относились к группе.
Так как этот тип проходит сквозь активный период звездообразования, в которой звездная масса удваивается за 1000 миллионов лет, то наличие большой части таких галактик в прошлой Вселенной влияло на общую скорость рождения звезд. Также звездное формирование должно было происходить в интенсивных вспышках, а галактики выделяли значительное количество инфракрасного излучения и сформировались в виде Световых Инфракрасных.
Еще один вывод был сделан после использования спектров VLT. Ученые зафиксировали химическую наполненность и поняли: объекты с большим красным смещением демонстрируют, что уровень кислорода вдвое ниже, чем у современных спиралей.
Полагают, что галактические столкновения играют важную роль в увеличении участков формирования звезд. Это указывает на то, что эти события все еще часто происходили менее 8 миллиардов лет назад.
Восстановление спирали у крупных галактик
Эти результаты находят отклик у сценария «иерархического галактического слияния», появляющегося в литературе последние 20 лет. В этой модели маленькие галактики объединяются в крупные. Текущая версия предполагает, что слияние закончилось 8000 миллионов лет назад. Но полноценное исследование отрицает эту мысль и говорит, что в следующие 4000 миллиона лет они продолжали объединяться.
Чтобы учитывать весь набор данных, ученые выдвинули новую модель формирования, которая включает три главные фазы: момент слияния, компактная фаза и рост диска. Схему назвали «восстановление спиральной галактики».
Эта концепция столкнулась с противоречиями, так как принято полагать, что сливается только эллиптический тип. Но астрономы утверждают, что их модель соответствует наблюдениям различных видов и способна объяснить все. И действительно, им удается разложить по полочкам формирование ¾ сегодняшних спиральных галактик и массивных центральных выпуклостей. Она применима к Андромеде, но не работает на Млечном Пути. Кажется, что нашей галактике удалось обойти без столкновений за последние тысячи миллионов лет.
Последующие исследования покажут, могут ли спиральные галактики быть недавно сформировавшимися системами, созданными в процессе масштабного слияния.
Результаты космологических исследований туманностей в 20 годах прошлого века перевернули представление астрономов о Вселенной и объектах ее населяющих.
Главным открытием стало подтверждение гипотезы о том, что казавшиеся тогда туманности не простое скопление газов или космической пыли, а представляет собой огромные скопления звезд – галактики.
Теория происхождения галактик
Теория происхождения галактик основывается на принципе гравитационной неустойчивости. Принцип гласит: частицы вещества не могут постоянно находиться в равномерно распределенном состоянии в пространстве. Элементы вещества будут стремиться друг к другу, создавая конгломераты.
В юной вследствие гравитационной неустойчивости образовались дискообразные скопления вещества. На границах этих дисков образовывались завихрения и отслаивание вещества. Формировались протогалактические структуры, внутри которых в свою очередь начинался процесс фрагментации – рождались первые звезды. С появлением звезд протогалактическое облако становилось звездной системой — галактикой. Галактики различны по объему и форме. Те, что на момент появления имели большую скорость вращения, приобрели форму шара или диска с отходящими от него рукавами-спиралями. Медленно вращавшиеся или неподвижные протогалактические облака превратились в галактики элипсоидной или неправильной формы.
Галактики могут быть единичными, располагаться попарно или множественными галактическими скоплениями. Галактические группы объединяют звездные системы различных форм и размеров. Самыми близкими нашими соседями являются галактическое скопление Большой Медведицы и небольшое плотное скопление галактик созвездия Волосы Вероники. Наша галактика Млечный Путь совместно со звездными системами Магеллановых облаков, галактикой Андромеда и множеством других, образуют , объединенную общим водородным облаком.
Состав галактики очень неоднороден. Достоверно известно, что элементами галактик являются: звезды, звездные скопления, пылевые облака, газовые туманности, частицы вещества рассеянные в пространстве, а также всякие экзотические объекты вроде черных дыр и нейтронных звезд. Все галактические элементы взаимосвязаны и подчинены вращению вокруг центра галактики содержащего
Теорий и гипотез о происхождении Вселенной - огромное множество, все они разные и все как одна отвечают на вопрос: «Откуда взялась Вселенная?». Самое интересное, что, рассматривая одну теорию, анализируя ее, становишься ее сторонником, пока не переходишь к изучению другой теории, которая, в свою очередь, убеждает в собственной правоте, - и так без конца. Наверное, люди еще не скоро смогут найти правильный ответ на вопрос о том, откуда появилась Вселенная.
Если брать самую древнюю теорию происхождения Вселенной, то, в соответствии с неоспоримым для многих источником - Библией - мир был создан Творцом примерно в 5508 году до рождества Христова. Данная теологическая гипотеза происхождения мира достаточно известна, но ее придерживаются, в основном, представители духовенства и особо верующие люди. Ученые же, которые ставят под сомнение все и вся, в том числе и существование Бога, естественно, имеют другое представление о происхождении мира.
Если заглянуть в толковый словарь, то Вселенная - это система мироздания, которая включает в себя все космическое пространство и находящиеся в нем небесные тела. Альтернативное определение Вселенной - «скопление звезд и галактик».
Самой распространенной научной гипотезой, объясняющей, откуда взялась Вселенная, считается теория «Большого взрыва».
В соответствии с ней приблизительно 20 млрд. лет назад вся Вселенная подставляла собой очень маленькую субстанцию, размером меньше песчинки. Однако, несмотря на крошечные размеры, плотность этого вещества была огромной: приблизительно 1100 г/см3. Конечно, в веществе не было ни звезд, ни планет, ни галактик, к которым мы привыкли, но само оно представляло некий зародыш, потенциально могущий создать все это многообразие небесных тел. Это вещество можно сравнить с маленьким семенем, из которого в последующем вырастает могучее и ветвистое дерево.
Именно из-за высокой плотности изначального вещества произошел взрыв, который разделил эту мельчайшую частичку на миллиарды более мелких частиц - из них в последующем и возникла Вселенная.
Существует еще одна гипотеза о большом взрыве, отвечающая на вопрос, откуда взялась Вселенная. В принципе, суть этих двух теорий практически идентична, за исключение того, что в данной гипотезе вместо вещества, из которого появилась Вселенная, фигурирует физический вакуум. То есть, весь мир произошел из-за взрыва в вакуумной среде.
Вакуум в переводе с латыни означает «пустота», но смысл этого понятия намного шире: вакуум - это не пустота в общепринятом смысле слова, а состояние, в котором скрыто и потенциально содержится все сущее. Вакуум имеет свойство менять свою структуру - подобно тому, как вода превращается в лед или пар. В процессе перемены такой структуры и произошел взрыв, повлекший зарождение Вселенной.
Помимо теологических и научных гипотез, объясняющих, откуда взялась Вселенная, существует и научно-философская точка зрения на эту проблему. Она рассматривает принципиальную возможность создания Вселенной неким высшим разумным Началом. Такая теория подразумевает, что мир существовал не всегда: у него есть своя начальная точка, даже более того - вся Вселенная постоянно развивается и растет.
К такому выводу пришли ученые, изучающие состав и сияние звезд. Так, в 30-х годах ХХ века при исследовании Млечного пути было установлено, что излучаемый звездами свет смещен в красную область спектра. Чем дальше расстояние от нас до звезды, тем это смещение более выражено. Именно такое наблюдение дало ученым информацию о том, что Вселенная постоянно расширяется.
Вторым подтвердившим развитие Вселенной, стала «смерть» звезд. Исходя из химического состава звезды, ее тело состоит из водорода, который постоянно участвует в различных реакциях, превращаясь в более тяжелые элементы. Когда водород истощается, звезда «умирает». По некоторым теориям, все планеты нашей системы могут быть результатом «смерти» звезд.
Это открытие дало основание для еще одного вывода: так как распад водорода - естественный и необратимый процесс, Вселенная закономерно и постепенно движется к своему концу.
Слово «гала́ктика» (др.-греч. γαλαξίας) происходит от греческого названия нашей Галактики (κύκλος γαλαξίας означает «молочное кольцо» – как описание наблюдаемого явления на ночном небе). Когда астрономы предположили, что различные небесные объекты, считавшиеся спиральными туманностями, могут быть огромными скоплениями звёзд, эти объекты стали называть «островными вселенными» или «звёздными островами». Но позже, когда стало понятно, что эти объекты похожи на нашу Галактику, оба термина перестали использоваться и были заменены на термин «галактика».
Галактики – это большие звездные системы, в которых звезды связаны друг с другом силами гравитации. Исходя из теории расширяющейся Вселенной, ученые установили, что галактики начали возникать из газопылевых туманностей 10 млрд. лет тому назад. Существуют галактики, включающие триллионы звезд… Исходя из теории расширяющейся Вселенной, ученые установили, что галактики начали возникать из газопылевых туманностей 10 млрд. лет тому назад. Существуют галактики, включающие триллионы звезд. Самые маленькие галактики содержат звезд в миллион раз меньше и скорее напоминают находящиеся в Млечном Пути шаровые скопления, только значительно больше по размерам. Помимо обычных звезд галактики включают в себя межзвездный газ, пыль, а также различные «экзотические» объекты: белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры.
В центрах многих ярких галактик имеется сгущение, называемое ядром, а внутри ядер некоторых галактик имеются ядрышки – керны. Природа ядер резко отличается от природы остальных частей галактик. В них наблюдаются активные процессы, связанные с выделением энергии. Известны галактики с необычайно активными процессами в ядрах.
Газ в галактиках не только рассеян между звезд, но и образует громадные облака (массой до миллионов масс Солнца), яркие туманности вокруг горячих звезд, плотные и холодные газопылевые туманности. Большие звездные системы имеют массы в сотни миллиардов масс Солнца. Наименьшие из карликовых галактик «весят» всего лишь в 100 тыс. раз больше Солнца. Таким образом, интервал масс у галактик значительно шире, чем у звезд: самые «тяжелые» и самые «легкие» звезды различаются по массе менее чем в 1000 раз.
Внешний вид и структура звездных систем весьма различны, и в соответствии с этим галактики делятся на морфологические типы.
Существует четыре основных вида галактик:
- Эллиптические галактики (E ) – галактики, у которых дисковой составляющей нет, либо она слабоконтрастна. Все остальные галактики дисковые.
- Спиральные галактики (S ) – галактики, обладающие спиральными ветвями. Иногда ветви могут вырождаться в кольца.
- Линзовидные галактики (S0 ) – галактики, по своей структуре не отличающиеся от спиральных, за исключением отсутствия чёткого спирального узора. Объясняется это низким содержанием межзвёздного газа, а значит, и низким темпом звездообразования.
- Неправильные галактики (Irr ) – для них характерна неправильная клочковатая структура. Как правило, в них очень много межзвёздного газа, до 50 % от массы галактики.
Во многих случаях очень удобной оказывается несколько более подробная Хаббловская классификация галактик по подвидам. Хаббловское деление (или камертон Хаббла), охватывающее все галактики, основывается на их визуально воспринимаемом строении. И если эллиптические она описывает вполне точно, то одна и та же спиральная галактика может классифицироваться по-разному. В 2003 году Майклом Дринкуотером (Michael Drinkwater ) из университета Квинсленда (University of Queensland) был открыт новый вид галактик, классифицируемый как ультракомпактные карликовые галактики.
Возникновение и эволюция галактик
Иерархическая теория
Согласно первой, после возникновения первых звёзд во Вселенной начался процесс гравитационного объединения звёзд в скопления и далее в галактики. В последнее время эта теория поставлена под сомнение. Современные телескопы способны «заглянуть» так далеко, что видят объекты, существовавшие приблизительно через 400 млн. лет после Большого взрыва.
Обнаружилось, что на тот момент уже существовали сформировавшиеся галактики. Предполагается, что между возникновением первых звёзд и вышеуказанным периодом развития Вселенной прошло слишком мало времени, и галактики сформироваться не успели бы.
Инфляционная теория
Другая распространённая версия заключается в следующем. Как известно, в вакууме постоянно происходят квантовые флуктуации. Происходили они и в самом начале существования Вселенной, когда, как предполагается, шёл процесс инфляционного расширения Вселенной, расширения со сверхсветовой скоростью. Это значит, что расширялись и сами квантовые флуктуации, причём до размеров, возможно, в 10 1012 раз превышающих начальный. Те из них, которые существовали в момент прекращения инфляции, остались «раздутыми» и таким образом оказались первыми тяготеющими неоднородностями во Вселенной. Получается, что у материи было порядка 400 млн лет на гравитационное сжатие вокруг этих неоднородностей и образование газовых туманностей. А далее начался процесс возникновения звёзд и превращения туманностей в галактики.
Что находится в центре галактики?
Одно из наиболее загадочных мест в галактике – ее центральная область. Ее физические свойства настолько отличаются от окружающих ее участков космоса, что ученые долго не могли понять природу этого явления.
Только недавно было точно установлено, что центральную часть нашей галактики занимает черная дыра – область пространства с измененными свойствами.
Возраст нашей галактики относительно невелик – около 12 миллиардов лет, и процессы образования звезд в ее ядре до сих пор активно продолжаются. Там обнаружено множество белых карликов – молодых звезд, гигантских скоплений раскаленного газа, черных дыр различной мощности и нейтронных звезд.
Все это в комплексе образует гигантскую, невообразимо огромную космическую «кухню», которая продолжает поставлять во Вселенную новые звезды, как горячие пирожки.
Что больше, Вселенная или галактика?
Следует знать, что наша галактика, несмотря на ее размеры, не одинока во Вселенной. Сегодня ученым-астрономам достоверно известно о более чем ста других галактиках.
Некоторые из них расположены сравнительно близко от нашей и могут быть различимы даже невооруженным глазом, как, например, галактика в созвездии Волосы Вероники. Другие можно увидеть только в мощный телескоп обсерватории. Третьи различимы только с орбитальной станции, где атмосфера не препятствует наблюдению за космосом.
Вселенная, согласно представлениям ученых, бесконечна, и в ней находится бесконечное число галактик. Одни рождаются из облаков раскаленного газа и пыли, другие находятся в таком же состоянии, как и наш Млечный путь, третьи угасают, исчерпав свою энергию. До сих пор нет единой теории, объясняющей происхождение Вселенной и образование в ней звезд и галактик. Возможно, в отдаленном будущем человечество будет обладать этими знаниями, но пока мы можем только строить об этом самые фантастические догадки.
Галактика Млечный Путь
Обнаружение и наименование
У нашей галактики довольно интересное название, так как туманная дымка напоминает молочный след. Имя имеет древние корни и переведено с латинского «Via Lactea». Это имя фигурирует уже в работе «Тадхира» Насир ад-Дин Туси. Он писал: «Представлена множеством небольших и плотно сгруппированных звезд. Они расположены близко, поэтому кажутся пятнами. Цветом напоминает молоко…».
Ученые думали, что Млечный Путь наполнен звездами, но это оставалось лишь догадкой до 1610 года. Именно тогда Галилео Галилей направляет первый телескоп в небо и видит отдельные звезды. Это также открыло людям новую правду: звезд намного больше, чем мы думали, и они входят в состав Млечного Пути.
Иммануил Кант в 1755 году считал, что Млечный Путь – это коллекция звезд, объединенных совместной гравитацией. Гравитационная сила заставляет объекты вращаться и приплющивает в форме диска. В 1785 году Уильям Гершель попробовал воссоздать галактическую форму, но не догадался, что большая ее часть скрывается за пылевой и газовой дымкой.
Ситуация меняется в 1920-х годах. Эдвин Хаббл сумел убедить, что мы видим не спиральные туманности, а отдельные галактики. Именно тогда появилась возможность осознать форму нашей. С того момента стало ясно, что это спиральная галактика, обладающая перемычкой.
Расположение
Млечный Путь узнается очень быстро благодаря широкой и вытянутой белой линии, напоминающей молочный след. Интересно, что эта звездная группа доступна для обзора с момента формирования планеты. На самом деле, этот участок выступает галактическим центром.
Галактика простирается на 100000 световых лет в диаметре. Если бы вам удалось посмотреть на нее сверху, то заметили бы выпуклость в центре, от которой исходят 4 крупных спиральных рукава. Этот тип представляет 2/3 вселенских галактик.
В отличие от привычной спирали, экземпляры с перемычкой вмещают стержень в центре с двумя ответвлениями. У нашей галактики есть два главных рукава и два второстепенных. В рукаве Ориона расположена наша система. Млечный Путь не статичен и вращается, перенося с собою все объекты. Наша система движется на скорости 828000 км/ч. Но галактика невероятно огромная, поэтому на один проход уходит 230 миллионов лет.
В спиральных рукавах накапливается много пыли и газа, из-за чего создаются прекрасные условия для образования новых звезд. Рукава исходят от галактического диска, охватывающего примерно 1000 световых лет. В центре можно заметить выпуклость, наполненную пылью, звездами и газом. Именно из-за этого вам удается увидеть лишь небольшой процент от общего количества галактических звезд. Все дело в густой газовой и пылевой дымке, перекрывающей обзор.
В самом центре скрывается сверхмассивная черная дыра, превышающая по массе Солнце в миллиарды раз. Скорее всего, раньше она была намного меньше, но регулярный рацион из пыли и газа позволил ей вырасти. Это невероятная обжора, потому что иногда засасывает даже звезды. Конечно, напрямую ее увидеть невозможно, но гравитационное влияние отслеживается.
Вокруг галактики расположен ореол горячего газа, где проживают старые звезды и шаровые скопления. Он простирается на сотни тысяч световых лет, но вмещает лишь 2% звезд от тех, что находятся в диске. Не будем забывать и про темную материю (90% галактической массы).
Структура и состав
При наблюдении видно, что Млечный Путь разделяет небесное пространство на два практически одинаковых полушария. Это говорит о том, что наша система расположена возле галактической плоскости. Заметно, что у галактики низкий уровень поверхностной яркости из-за того, что газ и пыль сконцентрированы в диске. Это не только не позволяет рассмотреть галактический центр, но и понять, что скрывается по ту сторону.
Если бы вам удалось вырваться за пределы Млечного Пути и получить перспективу для обзора сверху, то перед вами предстала спираль с баром. Простирается на 120000 световых лет и 1000 световых лет в ширину. Многие годы ученые думали, что видят 4 рукава, но их всего два: Щита-Центавра и Стрельца.
Рукава создаются плотными волнами, вращающимися вокруг галактики. Они передвигаются по площади, поэтому сдавливают пыль и газ. Этот процесс запускает активное формирование звезд. Подобное происходит во всех галактиках этого типа.
Если вам попадались изображения Млечного Пути, то все они являются художественными интерпретациями или же другими похожими галактиками. Нам было сложно осознать его внешний вид, так как мы расположены внутри. Представьте, что вы хотите описать дом снаружи, если никогда не покидали его стен. Но ведь всегда можно выглянуть в окно и посмотреть на соседние строения.
Наземные и космические миссии позволили понять, что в галактике проживают 100-400 миллиардов звезд. У каждой из них может быть одна планета, то есть, это могут быть сотни миллиардов планет, 17 миллиардов из которых по размеру и массе подобны Земле.
Примерно 90% массы уходит на темную материю. Никто так и не может объяснить, с чем мы сталкиваемся. В принципе, ее пока не удалось увидеть, но мы знаем о присутствии благодаря быстрому галактическому вращению и прочим воздействиям. Именно она удерживает галактики от разрушений при вращении.
Что ждет Млечный Путь?
Полагают, что Млечный Путь появился из-за слияния меньших галактик. Этот процесс продолжается, так как к нам уже мчится галактика Андромеды, чтобы через 3-4 миллиарда лет создать гигантский эллипс.
Млечный Путь и Андромеда не существуют в изоляции, а входят в Местную группу, которая также является частью Сверхскопления Девы. На этой гигантской области (110 миллионов световых лет) располагается 100 групп и галактических скоплений.
Если вам так и не удалось полюбоваться родной галактикой, то сделайте это как можно скорее. Найдите тихое и темное место с открытым небом и просто насладитесь этой удивительной звездной коллекцией.
Последние исследования
Астрофизики из США рассчитали, каким должно быть количество небольших чёрных дыр, массой от нескольких солнечных до нескольких сот масс Солнца в Млечном Пути. По их расчётам получилось, что в нашей Галактике их примерно сто миллионов. Это заметно больше, чем ожидали исследователи, и означает, что ближайшая чёрная дыра может находиться сравнительно близко к Солнечной системе. Соответствующая статья опубликована в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Исследователи взяли известное из астрономических наблюдений распределение видимых звёзд по массам. Рассчитав, какая часть из них массивнее Солнца настолько, что в конце своей эволюции они схлопываются в чёрную дыру, авторы работы обнаружили, что хотя такое событие само по себе довольно редко, однако из-за многочисленности звёзд встречается чаще, чем они предполагали изначально. На Млечный Путь, в котором находится наша система, должно приходиться порядка 100 миллионов чёрных дыр звёздных масс, чёрных дыр средних масс, а также сверхмассивные в этой работе не затрагивались.
Астрономы также отмечают, что для нашей Галактики наиболее типичная масса чёрной дыры звёздных масс сравнительно невелика, как правило, не выше 30 масс Солнца. В карликовых галактиках-спутниках, окружающих нашу, их средняя масса ближе к сотне солнечных. Причина – в малом количестве тяжелых элементов в карликовых галактиках. Без тяжелых элементов от светила исходит меньше звёздного ветра (так называют поток заряженных частиц, выбрасываемых звездой). Не теряя массу на звёздный ветер, массивные солнца из карликовых галактик сохраняют больше своего вещества до конца жизненного цикла, образуя в итоге более массивные чёрные дыры.