Навигация
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/(с×Мпк), 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 ¾ 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.
Похожие работы
... им явление тем, что наблюдаемые нами звезды образуют гигантскую звездную систему, которая сплюснута к галактическому экватору. И все же, хотя вслед за Гершелем исследованием строения нашей звездной системы - Галактики занимались известные астрономы - В. Струве, Каптейн и другие. Само представление о существовании Галактики как обособленной звездной системы являлось до тех пор, пока не были ...
... называется межзвездным газом. Известно, что межзвездный газ на самом деле представляет собой смесь, главным образом, водорода и гелия. Непрерывной дымкой заполняют эти газы межзвездное пространство нашей Галактики, и нет направления, в котором бы спектрограф не обнаруживал присутствия разреженной межзвездной среды. Кроме газа и пыли есть и другие формы материи, которые совсем не оставляют ...
... меньшее количество вращения, оказались менее сжатыми и эволюционируют в виде эллиптических галактик. Встречается большое число галактик неправильной формы, без какой либо общей закономерности структурного строения. Неправильная форма у галактики может быть в следствии того, что она не успела принять правильной формы из- за малой плотности в ней материи или из- за молодого возраста. Есть и другая ...
... , поскольку эта проблема в ряде случаев тесно связана с самыми интересными и загадочными объектами Вселенной - квазарами. В той или иной степени радиоизлучательная активность свойственна всем галактикам, и, главным образом, именно по активности в радиодиапазоне удается проследить энергетику процессов, происходящих в ядрах галактик. До 1962 года считалось, что квазары (квазизвездные источники) ...
0 комментариев