Острова Вселенной: галактики

4. Острова Вселенной: галактики

 

Общее представление о галактиках и их изучении

Слово «гала́ктика» происходит от греческого названия нашей Галактики (kyklos galakxias означает «молочное кольцо» - как описание наблюдаемого явления на ночном небе). Впервые природа Млечного Пути была установлена итальянским астрономом Галилеем, когда он направил свой телескоп на небосвод зимой и увидел, что он состоит из огромного числа тусклых звезд.

В 18 столетии Уильям Гершель построил телескоп с диаметром зеркала 1,2 м. Наблюдая за звездным небом, астроном-любитель стал понимать, что такое Млечный Путь на самом деле. Это вид изнутри на звезды, составляющих нашу звездную систему. Подсчитав звезды по обеим сторонам от Млечного Пути, Гершель сделал вывод, что Галактика имеет линзовидную форму: она более толстая в центре и тоньше по краям. Также сэр Уильям Гершель со своей сестрой и сыном разглядели неизвестные ранее туманности и звездные скопления. В результате своих наблюдений они составили каталог, в который вошло около 5000 туманностей.

Сначала туманности астрономов раздражали. Вплоть до середины XIX века обнаруженные туманности рассматривали как досадную помеху, мешавшую наблюдать звезды и искать новые кометы. Туманностями в астрономии называли любые неподвижные протяжённые светящиеся астрономические объекты, включая звёздные скопления или туманные пятна за пределами Млечного Пути, которые не удавалось разложить на звёзды.

По мере развития астрономии и разрешающей способности телескопов, понятие «туманность» всё более уточнялось. Часть «туманностей» была идентифицирована как звёздные скопления. Также были обнаружены тёмные газопылевые туманности, они представляют собой непрозрачные газопылевые облака. И, наконец, в 1920-х годах сначала К.Э.Лундмарку (1889 – 1958), а затем и Эдвину Хабблу (1889-1953) удалось доказать, что туманности за пределами Млечного Пути – это аналогичные ему галактики, состоящие из огромного количества звезд. Хаббл сумел разглядеть внешние части некоторых спиральных туманностей как скопления отдельных звёзд и определить среди них переменные-цефеиды. В 1936 Хаббл построил классификацию галактик, которая используется по сей день и называется последовательностью Хаббла.

Галактикой называется большая система из звёзд, межзвёздного газа и пыли, тёмной материи и, возможно, тёмной энергии, связанная силами гравитационного взаимодействия. Обычно галактики содержат от 10 миллионов до 1 триллиона и более звёзд, вращающихся вокруг общего центра тяжести.

Одна из главных задач внегалактической астрономии связана с определением расстояний до галактик и размеров самих галактик. Расстояния до ближайших галактик, которые можно разложить на звезды, определяются по их светимости. Сложнее установить расстояние до далеких галактик.

Почти сто лет назад американский астроном Весто Слайфер (1875-1969) обнаружил, что линии в спектрах излучения большинства галактик смещены к длинноволновому (красному) краю. В то время космологических теорий, которые могли бы объяснить этот феномен, еще не было, как не существовало и общей теории относительности. Слайфер истолковал свои наблюдения, опираясь на эффект Доплера. Получилось, что галактики удаляются от нас, причем с довольно большими скоростями.

Позже Эдвин Хаббл обнаружил, что чем дальше галактика находится от нас, тем больше наблюдаемый сдвиг спектральных линий в красную сторону (то есть красное смещение) и, следовательно, с тем большей скоростью она улетает от Земли. Сейчас данные по красному смещению получены для десятков тысяч галактик, и почти все они удаляются от нас. Причем скорость разбегания оказалась пропорциональна расстоянию от Земли (закон расширения Хаббла). Разлетающиеся скопления галактик, ближайшие от нас звезды и галактики связаны друг с другом гравитационными силами и образуют устойчивые структуры. Причем скопления галактик разбегаются от Земли с одинаковой скоростью, в каком бы направлении мы не посмотрели, и может показаться, что наша Галактика является центром Вселенной, однако это не так. Где бы ни находился наблюдатель, он будет везде видеть все ту же картину - все галактики разбегаются от него.

 Именно это открытие и позволило ученым заговорить о расширении Вселенной и о нестационарности нашего мира.

Определение расстояний до галактик и положение их на небе позволило ученым сделать еще один вывод. Оказалось, что большинство галактик входит в группировки, которые насчитывают от нескольких галактик (группа галактик) до сотен и тысяч галактик (скопление галактик) и даже облака скоплений (сверхскопления). Бывают и одиночные галактики, но они встречаются довольно редко (не более 10 %).

Размеры галактик тоже различны. Есть галактики-карлики в несколько десятков световых лет и галактики-великаны с поперечником до 18 млн. световых лет.

Галактика Андромеды в ультрафиолетовых лучах.

Наиболее исследована Местная группа галактик, в которой самыми яркими являются наша Галактика и туманность Андромеды. В Местной группе поперечником около одного мегапарсека, находятся около 30 галактик. Они сосредоточенны в области космоса диаметром примерно около 8 млн. световых лет.

Это не случайная выборка объектов, просто оказавшихся по соседству.

Галактики Местной группы связанны между собой силами притяжения и образуют скопление – точно так же, как звезды Плеяд образуют звездное скопление.

В Местной группе доминируют две большие галактики – Млечный Путь и туманность Андромеды. Каждая из них притягивает к себе галактики, меньшие по габаритам. Вокруг туманности Андромеды сосредоточены М 32, NGC 147, NGC 185, NGC 205 и четыре карликовые системы. В этом же районе находится третья по размерам галактика нашей Местной группы – Колесо со спицами. Спутники Млечного Пути – Большое и Малое Магеллановы Облака и несколько карликовых галактик. Остальные члены Местной группы как бы независимы.

Астрономы обнаружили в ней три спиральные галактики, четыре эллиптические, 14 неправильных и около 14 эллиптических неправильных. Неясно, является ли доля маленьких галактик в Местной группе типичной для Вселенной в целом.

Известно еще несколько скоплений галактик. Каждое из них удерживается силами притяжения в виде обособленной группы. Самое крупное скопление по соседству с нами в созвездии Девы. Вместе с нашей Местной группой и другими скоплениями оно составляет Местное Сверхскопление диаметром 60 млн. световых лет.

Очень многообразны и формы галактик. Типология форм галактик, разработанная Э.Хабблом, в основном сохранилась до настоящего времени, хотя за прошедшие десятилетия были обнаружены и новые типы галактик. Галактики по строению обычно делят на три типа:

Спиралевидные галактики обычно имеют форму диска с явно выраженной спиралевидной структурой, почему и получили своё название. У таких галактик можно выделить центр, рукава и гало. Центр - это массивное и плотное скопление звёзд, обычно молодых, и межзвёздного вещества. Предположительно, в центрах спиралевидных галактик могут находиться чёрные дыры. Рукава - звёздные образования в галактическом диске, имеющие форму расходящихся от центра спиралей. Их возникновение обусловлено вращением галактики. Большинство звёзд вне центра галактики находятся именно в рукавах. Гало - звёзды, находящиеся вне галактического диска, но, тем не менее, причисляемые к данной галактике.

Эллиптические галактики наиболее часто встречаются в плотных скоплениях галактик. Они имеют форму эллипсоида, чаще всего шара. Наибольшие из известных галактик - именно шаровые. Скорость их вращения обычно значительно меньше, чем у спиралевидных, и диск просто не формируется. Такие галактики обычно насыщены Шаровыми скоплениями.

Галактики неправильной формы обычно имеют слишком малую массу, чтобы иметь чёткую структуру, либо находятся под воздействием более крупных объектов. Яркость и светимость их невелики. В них обычно очень мало шаровых скоплений. Типичными примерами таких галактик являются спутники Млечного Пути - Большое и Малое Магеллановы Облака. К неправильным галактикам относят и взаимодействующие галактики.

Форма и структура галактик связанны с их основными физическими характеристиками: размером, массой, светимостью. И по этим характеристикам мир галактик оказался поразительно разнообразным.

В центрах галактик обычно сосредоточено огромное количество вещества (до 10 % всей ее массы). У некоторых галактик есть маленький центр, излучающий огромное количество энергии. Они называются галактиками с активными ядрами. Ядро содержит небольшой, но очень массивный объект, скорее всего черную дыру, которая такая плотная, что создает колоссальное притяжение и поглощает все, что окажется рядом, - даже свет.

Обнаружено несколько типов галактик с активными ядрами, содержащими черные дыры. Их активность зависит от степени сжатия газа вокруг дыры, оценивать которую следует с учетом того, наблюдаем ли мы диск сбоку или сверху. Активные ядра галактик выделяют огромное количество энергии из очень маленького пространства. В ядре, по мнению ученых, черная дыра «пожирает» газовый диск. Затягиваясь в нее, вещество разогревается и становится мощным излучателем энергии. Иногда газа вокруг черной дыры столько, что выделяющаяся энергия отбрасывает часть его обратно в космос, и образуются раскаленные струи длиной в тысячи световых лет.

Астрофизики считают черные дыры очень странными небесными объектами, внутри которых замедляется время, сворачивается пространство. И все же во Вселенной их миллионы, некоторые диаметром всего в несколько километров, некоторые размером с Солнечную систему. И хотя способность удерживать внутри себя всякое излучение относится к главным особенностям черных дыр, астрономы обнаруживают их по чрезвычайно ярким вспышкам, возникающим в окрестности дыры, когда она «проглатывает» неосторожно приблизившуюся к ней звезду или галактические газы. Вспышки гамма-лучей, взрывы с выделением колоссального количества энергии, происходящие во время взрыва звезды и превращения ее в черную дыру, также фиксируются приборами.

Так анонимный художник Европейского космического агентства (ESA) изобразил момент «проглатывания» черной дырой (справа) оказавшейся поблизости звезды (слева). Прежде чем газ упадет на поверхность дыры, он закрутится вокруг нее со скоростью близкой к световой. Именно из этого хоровода вырывается мощный поток рентгеновского излучения.

По нашим человеческим меркам галактики невообразимо огромны, но в космологических масштабах они ничтожно малы. Космология рассматривает поведение Вселенной лишь в масштабах такого или более высокого порядков. Процессы, происходящие в отдельных галактиках, редко становятся существенными в космологии.

Наша Галактика – звездный дом человечества

Особый интерес вызывает вопрос о том, что представляет собой наш звездный дом – наша Галактика. Те отдельные звезды, которые мы можем различить на ночном небе, - просто ближайшие к нам члены нашей Галактики. Большая же часть видна лишь как размытая световая полоса, пересекающая небо. Это так называемый Млечный Путь. Древние сравнивали эту идущую поперек неба мерцающую полосу с потоком молока. Для изучения структуры Галактики очень невыгодно положение Земли: мы живем в ней и видим ее изнутри. Только в 30-е годы XXI века стало ясно, что Солнце расположено не в середине Галактики, а примерно в двух третях пути от центра к краю. Затем радиотелескопы обнаружили несколько спиральных ветвей – рукавов Млечного Пути.

Наша Галактика – гигантская звездная система, состоящая приблизительно из 200 млрд. звезд, среди них и наше Солнце, которое находится в ветви Ориона, часть которой мы видим на звездном небе. Перед ней расположена ветвь Персея, а позади – ветвь Стрельца. Звезды, их скопления, газопылевые облака – все вращается вокруг центра Галактики. Наше Солнце совершает полный оборот вокруг него за 226 млн. лет со скоростью 220 км/сек.

По форме наша Галактика представляет собой диск с шарообразным утолщением в центре. Диаметр Галактики равен 100 000 световых лет, толщина ядра около 6 000 световых лет, а масса составляет 2 * 10 ¹¹ масс Солнца.

Около 1 % этой массы составляет межзвездный водород, преимущественно нейтральный. Возраст Галактики около 15 млрд. лет.

Звездный состав Галактики очень разнообразный. Звезды различаются по физическим, химическим характеристикам, особенностям орбит, возрасту и т. п. Есть старые звезды и молодые, некоторые звезды рождаются в настоящее время. По взбитым облакам межзвездного вещества можно определить участки, где происходит интенсивное образование звезд в рукавах, расположенных ближе к нам. Это туманности Орла, Омеги, а также Трехраздельная туманность и туманность Лагуны. Наше Солнце относится к подавляющему большинству звезд, имеющих «средний» возраст – несколько миллиардов лет.

В центральном сферовидном выступе Галактики находятся старые красные и желтые звезды. Здесь сравнительно немного межзвездного вещества, а процессы рождения новых звезд относительно ограниченны.

До последнего времени было неизвестно, что располагается внутри центральной сферы, так как мощные облака газа и пыли загораживали вид. Исследования этого участка с применением приборов, воспринимающих радио- и инфракрасные волны позволили выявить ряд необычных признаков.

В самом центре был обнаружен мощный источник радиоволн, известный как А Стрельца. По-видимому, он соответствует черной дыре с массой 2,5 млн. масс Солнца.

Межзвездная среда

Вселенная - это, по сути, почти пустое пространство. Звезды занимают лишь ничтожную его долю. История звезд начинается не с самих звезд, а с огромного пространства, которое существует между ними. В межзвездном пространстве присутствует газ, хотя и в очень малых количествах.

Все, что заполняет пространство между звездами внутри галактик, называется межзвездной средой. И основное, что составляет межзвездную среду - это межзвездный газ, который на 90 % состоит из атомарного водорода – легчайшего химического элемента. Он довольно равномерно перемешан с межзвездной пылью (около 1 % массы) и пронизывается межзвездными магнитными полями, космическими лучами и электромагнитным излучением.

Пылью в астрономии называют небольшие, размером в доли микрона, твердые частицы, летающие в космическом пространстве. Часто космическую пыль условно делят на межпланетную и межзвездную. Ядро частицы пыли состоит, по-видимому, в основном из углерода, кремния и металлов. А оболочка - преимущественно из намерзших на поверхность ядра газообразных элементов, закристаллизовавшихся в условиях «глубокой заморозки» межзвездного пространства (около 10 градусов по шкале Кельвина), водорода и кислорода.

Водород составляет около 75% межзвездной среды, а гелий около 23%. Оставшиеся 2% это остатки тяжелых элементов, которые астрономы довольно неразборчиво называют «тяжелыми металлами», хотя в эту группу попадают и углерод с кислородом.

Из межзвездного газа образуются звезды, которые на поздних стадиях эволюции вновь отдают часть своего вещества межзвездной среде. Некоторые из звезд, умирая, взрываются как сверхновые, выбрасывая обратно в пространство значительную долю водорода, из которого они когда-то образовались. Сверхгиганты выделяют железо. Все более тяжелые элементы возникают при взрыве сверхновой звезды, что соответствует смерти сверхгиганта.

В межзвездной среде астрофизики наблюдают и различные органические соединения: углеводород, спирты, альдегиды, эфиры, аминокислоты, такие как муравьиная и уксусная, глицин, и другие соединения, в которых молекулы содержат до 18 атомов углерода, а самые тяжелые имеют массу до 123 масс водорода.

Группе ученых под руководством Адольфа Уитта (Adolf Witt) из университета г. Толедо (штат Огайо) с помощью телескопов в Чили и в штате Аризона удалось обнаружить в ультрафиолетовом диапазоне спектра излучения одной из галактик, расположенной в 1000 световых лет от Земли, характерные линии двух углеводородов - антрацена и пирена. Эти два углеводорода, содержащие 24 и 26 атомов углерода соответственно, являются представителями группы полициклических ароматических углеводородов. Эти молекулы легко обнаружить в продуктах сгорания дизельных двигателей и ТЭЦ.

Адольф Уитт убежден также, что антрацен и пирен - не самые крупные органические молекулы, возникающие в ходе такого синтеза, физика процесса допускает образование и более крупных молекул или частиц, содержащих миллионы атомов углерода. Сложные углеводороды, принесенные звездным ветром, а также аминокислоты, которые обнаруживаются в метеоритах, могли при попадании на Землю в ранний период ее развития создать благоприятные условия для возникновения жизни.

Тайна юной Вселенной

Если галактика сформировалась, то откуда в ней берется пыль - в принципе ученым понятно. Наиболее значительные ее источники - новые и сверхновые, которые теряют часть своей массы, «сбрасывая» оболочку в окружающее пространство. Кроме того, пыль рождается и в расширяющейся атмосфере красных гигантов, откуда она буквально выметается давлением излучения. В их прохладной, по меркам звезд, атмосфере (около 2,5 - 3 тысяч градусов по шкале Кельвина) довольно много сравнительно сложных молекул.

Но вот загадка, не разгаданная до сих пор. Всегда считалось, что пыль - продукт эволюции звезд. Иными словами – звезды должны зародиться, просуществовать какое-то время, состариться, и, скажем, в последней вспышке сверхновой произвести пыль. Что же появилось раньше – первая пыль, необходимая для рождения звезды, или первая звезда, которая почему-то родилась без помощи пыли, состарилась, взорвалась, образовав самую первую пыль?

Что было вначале? Ведь когда 14 млрд. лет назад произошел Большой взрыв, во Вселенной были только водород и гелий, никаких других элементов! Это потом из них стали зарождаться первые галактики, огромные облака, а в них - первые звезды, которым надо было пройти долгий жизненный путь. Термоядерные реакции в ядрах звезд должны были «сварить» более сложные химические элементы, превратить водород и гелий в углерод, азот, кислород и так далее, а уж после этого звезда должна была выбросить все это в космос. Затем этой массе нужно было охладиться, остыть и, наконец, превратиться в пыль. Но уже через 2 млрд. лет после Большого взрыва, в самых ранних галактиках, пыль была! С помощью телескопов ее обнаружили в галактиках, отстоящих от нашей на 12 млрд. световых лет. В то же время астрономы считают, что 2 млрд. лет - слишком маленький срок для полного жизненного цикла звезды: за это время большинство звезд не успевает состариться. Откуда в юной Галактике взялась пыль, если там не должно быть ничего, кроме водорода и гелия, - тайна.

Понятие Метагалактики

Совокупность галактик всех типов, квазаров, межгалактической среды образует Метагалактику – доступную наблюдениям часть Вселенной.

Одно из важнейших свойств Метагалактики – так называемый «разлет» скоплений галактик. Постоянное расширение Вселенной происходит, по мнению ученых вследствие Большого Взрыва. Согласно этой теории Вселенная возникла приблизительно 14 млрд. лет назад в результате грандиозного взрыва, создавшего пространство и время, всю материю и энергию, которые нас окружают.

До возраста приблизительно 300 тыс. лет Вселенная была кипящим котлом из электронов, протонов, нейтрино и излучения, которые взаимодействовали между собой и составляли единую среду, равномерно заполняющую всю раннюю Вселенную. Общее расширение Вселенной постепенно охлаждало эту среду, и, когда температура упала до значения нескольких тысяч градусов, наступило время для формирования стабильных атомов. Так же в результате расширения первоначальное излучение стало куда менее интенсивным, но не пропало совсем.

Первое подтверждение факта взрыва пришло в 1964 году, когда американские радиоастрономы Р. Вильсон и А. Пензиас обнаружили реликтовое электромагнитное излучение с температурой около 3° по шкале Кельвина (–270°С). Именно это открытие, неожиданное для ученых, убедило их в том, что Большой взрыв действительно имел место, и поначалу Вселенная была очень горячей.

Важное свойство Метагалактики – равномерное распределение в ней вещества. На масштабах больших, чем 100 мегапарсек, видимая нами часть Вселенной достаточно однородна. Все плотные сгустки материи - галактики, их скопления и сверхскопления - наблюдаются только на меньших расстояниях. Более того, Вселенная изотропна, то есть ее свойства одинаковы вдоль любого направления. Эти экспериментальные факты лежат в основе всех классических космологических моделей, в которых предполагаются сферическая симметрия и пространственная однородность распределения вещества.

Что же ждет нашу Вселенную в дальнейшем? Еще несколько лет назад у теоретиков в этой связи имелись всего две возможности. Если плотность энергии во Вселенной мала, то она будет вечно расширяться и постепенно остывать. Если же плотность энергии больше некоторого критического значения, то стадия расширения сменится стадией сжатия. Вселенная будет сжиматься в размерах и нагреваться.

Современный нам момент эволюции Вселенной крайне удачно приспособлен для жизни, и длиться он будет еще много миллиардов лет. Звезды будут рождаться и умирать, галактики вращаться и сталкиваться, а скопления галактик - улетать все дальше друг от друга. Поэтому времени для самосовершенствования у человечества предостаточно. Правда, само понятие «сейчас» для такой огромной Вселенной, как наша, плохо определено. Так, например, наблюдаемая астрономами жизнь квазаров, удаленных от Земли на 10 - 14 млрд. световых лет, отстоит от нашего «сейчас» как раз на те самые 10 - 14 млрд. лет.

И чем дальше в глубь Вселенной мы заглядываем с помощью различных телескопов, тем более ранний период ее развития мы наблюдаем.

Сегодня ученые в состоянии объяснить большинство свойств нашей Вселенной, начиная с момента в 10^-42 секунды и до настоящего времени и даже далее. Они могут также проследить образование галактик и довольно уверенно предсказать будущее Вселенной. Тем не менее, ряд «мелких» непонятностей еще остается. Это, прежде всего - сущность скрытой массы (темной материи) и темной энергии. Кроме того, существует много моделей, объясняющих, почему наша Вселенная содержит гораздо больше частиц, чем античастиц, и хотелось бы определиться, в конце концов, с выбором одной правильной модели.

Как учит нас история науки, обычно именно «мелкие недоделки» и открывают дальнейшие пути развития, так что будущим поколениям ученых наверняка будет, чем заняться. Кроме того, более глубокие вопросы тоже уже стоят на повестке дня физиков и математиков. Почему наше пространство трехмерно? Почему все константы в природе словно «подогнаны» так, чтобы возникла разумная жизнь? И что же такое гравитация? Ученые уже пытаются ответить и на эти вопросы.

Ну и конечно, оставим место для неожиданностей. Не надо забывать, что такие основополагающие открытия, как расширение Вселенной, наличие реликтовых фотонов и энергия вакуума, были сделаны, можно сказать, случайно, и не ожидались ученым сообществом.

Список литературы

 

1. В.Д. Найдыш Концепции современного естествознания.

2. Робин Керрод: Вселенная. Взгляд с космического телескопа «Хаббл» - М.: БММ АО, 2004.

3. Роберт Бэрнхем Атлас Вселенной для детей - Ридерс Дайджест.

4 . www.astronet.ru

5. www.cnews.ru

6. www.vokrugsveta.ru

7. www.wikipedia.ru