Наша Галактика. Её размеры и структура. Два типа населения Галактики. Межзвездная среда: газ и пыль. Спиральные рукава. Ядро Галактики.»

Лекция 16

«Наша Галактика. Её размеры и структура. Два типа населения Галактики. Межзвездная среда: газ и пыль. Спиральные рукава. Ядро Галактики.»

Цель :Изучить строение и состав Галактик. Виды Галактик

Млечный Путь.В безлунную осеннюю ночь хорошо заметна тянущаяся через все небо светлая полоса. Это Млечный Путь, названный так в древности за присущий ему оттенок. Направив на него бинокль или телескоп, вы убедитесь в том, что свет Млечного Пути исходит от множества не различимых невооруженным глазом звезд (о чем догадывался еще Демокрит в IV в. до н. э. и что впервые обнаружил Галилей).

Млечный Путь опоясывает все небо; у него нет резких границ, а разные участки имеют неодинаковую ширину и яркость. В Млечном Пути сосредоточено подавляющее число звезд Галактики — огромной звездной системы сплюснутой формы (галактика — от греческого слова, означающего «молочный»). Солнце, являющееся одной из звезд Галактики, находится вблизи ее плоскости симметрии — галактической плоскости. Поэтому большинство звезд Галактики проецируется на небесную сферу не хаотично, а в пределах той полосы, которую мы и называем Млечным Путем.

Состав Галактики.Звезды и звездные скопления. Число звезд в Галактике порядка 10¹² (триллиона). Самые многочисленные звезды — это карлики с массами примерно в 10 раз меньше массы Солнца. Кроме одиночных звезд и их спутников (планет), в состав Галактики входят двойные и кратные звезды, а также группы звезд, связанные силами тяготения и движущиеся в пространстве как единое целое, называемые звездными скоплениями. Некоторые из них можно отыскать на небе в телескоп, а иногда и невооруженным глазом, например звездное скопление Плеяды в созвездии Тельца (рис. 90). Это рассеянное звездное скопление. Такие скопления не имеют правильной формы; их в настоящее время известно более тысячи. На рисунке 91 изображено звездное скопление, совершенно непохожее на рассеянное. Это шаровое звездное скопление в созвездии Геркулеса. Если в рассеянных скопленияхсодержатся сотни или тысячи звезд, то в шаровых их сотни тысяч.


Рис. 90. Рассеянное звездное скопление Плеяды в созвездии Тельца.	Рис. 91. Шаровое звездное скопление в созвездии Геркулеса.

Силы тяготения удерживают звезды в таких скоплениях миллиарды лет. Известно около 150 шаровых скоплений. В отличие от рассеянных звездных скоплений, состоящих в основном из звезд, которые принадлежат главной последовательности, шаровые скопления содержат красные и желтые гиганты и сверхгиганты. Обзоры неба, выполненные рентгеновскими телескопами, установленными на специальных искусственных спутниках Земли, привели к открытию рентгеновского излучения многих шаровых скоплений.

Туманности. В различных созвездиях можно увидеть в телескоп туманные пятна, которые (в основном) состоят из газа и пыли, — это туманности, они тоже входят в состав нашей Галактики. Туманности неправильной, клочковатой формы называют диффузными, а те, которые имеют правильную форму и в небольшие телескопы напоминают по виду планеты, — планетарными. Если вблизи большого газопылевого облака находится яркая звезда, то туманность, отражая или переизлучая излучение этой звезды, становится видимой как светлая диффузная туманность (рис. 92). Пример светлой диффузной туманности — большая газопылевая туманность в созвездии Ориона. Расстояние до нее около 500 пк, диаметр центральной части туманности — 6 пк, масса примерно в 100 раз больше массы Солнца.


Рис. 92. Диффузная туманность в созвездии Ориона.	Рис. 93. Крабовидная туманность в созвездии Тельца.

Интересна небольшая диффузная туманность, названная Крабовидной туманностью (рис. 93) за свою необычную сетку из ажурных газовых волокон. Установлено, что эта туманность — остаток сверхновой звезды, вспыхнувшей в1054 г. в созвездии Тельца. Значит, возраст Крабовидной туманности меньше 950 лет. Крабовидная туманность удалена от нас на расстояние не менее 1,5 кпк. Ее диаметр около 1 пк, масса всех волокон около 0,1 массы Солнца. Туманность расширяется со скоростью более 1000 км/с.

Крабовидная туманность — один из уникальных космических объектов. Это не только источник оптического излучения, но и источник радиоизлучения, рентгеновских и гаммаквантов. Наконец, в центре Крабовидной туманности находится пульсар, замечательный тем, что у него в1969 г. впервые были обнаружены наряду с пульсациями радиоизлучения оптические пульсации блеска и пульсации рентгеновского излучения. Пульсар, обладающий мощным переменным магнитным полем, ускоряет электроны и вызывает свечение туманности в различных участках спектра электромагнитных волн.


Рис. 94. Планетарная туманность в созвездии Лиры.	Рис. 95. Туманность «Конская голова» в созвездии Ориона.

Пример планетарной туманности — туманность в созвездии Лиры (рис. 94). В центре планетарной туманности находится горячая звезда. Газ, из которого состоит планетарная туманность, входил когда-то в состав атмосферы этой звезды. Коротковолновое излучение звезды переизлучается газом планетарной туманности в видимое излучение. Таким процессом (флуоресценцией), а не простым отражением объясняется свечение планетарных туманностей.

Туманности, в основном состоящие из пыли, выделяются на фотографиях звездного неба в виде темных участков (рис. 95). Многие темные туманности расположены сравнительно близко от нас и сильно поглощают свет находящихся за ними звезд.

Космические лучи и магнитные поля. Но даже там, где не видно ни звезд, ни туманностей, пространство не пусто. Оно заполнено очень разреженным межзвездным газом и межзвездной пылью. В межзвездном пространстве существуют и различные поля (гравитационное и магнитное). Пронизывают межзвездное пространство и космические лучи, представляющие собой потоки электрически заряженных частиц, которые при движении в магнитных полях разогнались до скоростей, близких к скорости света, и приобрели огромную энергию.

Рис. 96. Строение Галактики.

Строение Галактики (рис. 96). Подавляющая часть звезд и диффузной материи Галактики занимает линзообразный объем (диск с утолщением). Диаметр диска около 3·10⁴пк. Солнце находится на расстоянии около 10⁴ пк от центра Галактики, скрытого от нас облаками межзвездной пыли. В центре Галактики расположено ее ядро, которое в последнее время тщательно исследуется в инфракрасном, радио- и рентгеновском диапазонах длин волн. Непрозрачные облака пыли застилают от нас ядро, препятствуя визуальным и обычным фотографическим наблюдениям этого интереснейшего объекта Галактики.

Если бы мы могли взглянуть на галактический диск «сверху», то обнаружили бы огромные спиральные ветви, в основном содержащие наиболее горячие и яркие звезды, а также массивные газовые облака. Диск со спиральными ветвями образует основу плоской подсистемы Галактики. А объекты, концентрирующиеся к ядру Галактики и лишь частично проникающие в диск (например, шаровые звездные скопления), относятся к сферической подсистеме. Такова лишь очень упрощенная схема строения Галактики. В Галактике известны и другие подсистемы, причем существование различных подсистем неразрывно связано с образованием и эволюцией звезд, изменением химического состава (химическая эволюция) и, наконец, с эволюцией структуры Галактики (Галактика не всегда была такой, какой мы ее застали!).

Вращение Галактики и движение звезд в ней.Галактика вращается вокруг своей центральной области. В отличие от Солнечной системы, в которой почти вся масса вещества сосредоточена в Солнце, в центре Галактики сосредоточена лишь сравнительно небольшая часть звезд. Поэтому вращение Галактики имеет свои особенности: с увеличением расстояния от центра изменяются и угловая, и линейная скорости вращения Галактики (угловая скорость убывает, а линейная сначала возрастает, а затем, достигнув максимума, начинает убывать). Солнце как раз находится на том расстоянии от центра Галактики, где линейная скорость звезд максимальна. Солнце ближайшие к нему звезды движутся вокруг центра Галактики со скоростью 250 км/с, совершая полный оборот примерно за 200 млн. лет.

Вращение Галактики обнаруживается при измерении лучевых скоростей звезд (т. е. по эффекту Доплера). Действительно, если все звезды вместе с Солнцем движутся вокруг центра Галактики, то по изменению лучевых скоростей различных звезд это можно определить. Так, для наблюдателя, движущегося вместе с Солнцем, будут равны нулю лучевые скорости тех звезд, которые, например, движутся в перпендикулярном к нему направлении. Лучевые скорости равны нулю и в направлении на центр Галактики (он находится в созвездии Стрельца), антицентр и в тех случаях, когда звезды находятся справа и слева от направления центр — антицентр, т. е. под углом 90 ° к этому направлению. В других направлениях обнаруживаются лучевые скорости, различные по модулю и знаку. Такая картина движения звезд вырисовывается из наблюдений далеких от Солнца звезд, а близкие не только участвуют в общем вращении Галактики, но и совершают небольшие хаотические движения. Например, Солнце (а вместе с ним и вся Солнечная система) движется со скоростью около 20 км/с по направлению к точке, которая называется апексом (от лат. «вершина») и положение которой на небесной сфере известно (α = 18^Ч, δ = +30°). Определяя из наблюдений пространственную скорость звезды (§ 23), мы находим ее относительно Солнца.

Радиоизлучение Галактики. В начале 30-х гг. при изучении шумов, мешавших радиосвязи, был открыт источник необычных радиопомех, расположенный в направлении центра Галактики и находящийся за пределами Солнечной системы. Радиоизлучение приходит к нам не только из центра Галактики или от остатков когда-то вспыхнувших сверхновых звезд, но и из межзвездного пространства.

Радиоизлучение межзвездной среды вызвано различными причинами. Например, радиоволны излучает находящийся в межзвездном пространстве ионизованный горячий газ, нагретый до 10⁴ К. Нагрев и ионизацию газа (преимущественно водорода) вызывают горячие звезды и космические лучи. Другой источник радиоизлучения (на волне 21 см) — нейтральный водород, которого в межзвездном пространстве значительно больше, чем ионизованного. Исследование радиоизлучения галактики непрерывно пополняет наши сведения о ней. Так, например, наблюдения на волне21 см распределения нейтрального водорода помогают выявить расположение спиральных ветвей, в которых сосредоточено особенно много межзвездного газа. Такие наблюдения доказывают что газ, как и звезды, участвует во вращении Галактики. Это позволяет по радионаблюдениям уточнить закономерности вращения Галактики.

В начале XX в. было доказано, что некоторые туманные пятна, видимые в телескоп в разных участках неба, находятся вне нашей Галактики и представляют собой другие галактики, каждая из которых, подобно нашей, состоит из многих миллиардов звезд. Огромные расстояния, отделяющие Солнечную систему от этих миров, почти лишают нас возможности видеть их невооруженным глазом. Зато телескоп раскрывает перед человеком поистине глубины Вселенной: крупнейшим современным телескопам доступна область Вселенной, в которой находятся миллиарды галактик. Исследованием мира галактик занимается внегалактическая астрономия. Подобно физике элементарных частиц, проникающей в тайны невидимого микромира, внегалактическая астрономия изучает разнообразные, очень далекие от нас, не видимые невооруженным глазом космические объекты безграничного мегамира, непрерывно расширяя наши представления о Вселенной.

Мир галактик поражает своим разнообразием. Галактики резко отличаются размерами, числом входящих в них звезд, светимостями, внешним видом. Они обозначаются номерами, под которыми их вносят в каталоги. Одни и те же галактики фигурируют в разных каталогах под разными номерами. Например, М 31, М 82 (каталог Мессье) или NGC 224, NGC 3034 («Новый общий каталог» — New General Catalogue).

По внешнему виду галактики условно разделены на три основных типа: эллиптические, спиральные и неправильные.

Пространственная форма эллиптических галактик — эллипсоиды с разной степенью сжатия. Среди эллиптических галактик встречаются гигантские и карликовые. Почти четверть всех изученных галактик относится к эллиптическим. Это наиболее простые по структуре галактики. Распределение звезд в них равномерно убывает от центра, пыли и газа почти нет. Самые яркие звезды — красные гиганты.


Рис. 97. Туманность Андромеды.	Рис. 98. Галактика «Водоворот» в созвездии Гончих Псов.

Спиральные галактики — самый многочисленный тип галактик (рис. 97, 98). К нему относятся наша Галактика и гигантская Туманность Андромеды (М 31 или NGC 224, рис. 97), удаленная от нас примерно на 2,5 млн. св. лет. Это одна из немногих галактик, видимых невооруженным глазом. Массы спиральных галактик — порядка 10⁹—10¹² масс Солнца. Ближайшая к нам галактика М 31 не только красива, но и опасна. Через несколько миллионов лет она может столкнуться с Галактикой...

Неправильные галактики не имеют центральных ядер и не обнаруживают закономерностей в своем строении. Жители Южного полушария Земли могут невооруженным глазом видеть две неправильные галактики — Большое и Малое Магеллановы Облака, являющиеся спутниками нашей Галактики (рис. 99). Они находятся сравнительно недалеко от нас, на расстоянии всего лишь в полтора раза большем диаметра Галактики. Магеллановы Облака значительно меньше нашей Галактики по массе и размерам. Изучение Магеллановых Облаков позволяет получить ценнейшие сведения о звездах, звездных скоплениях и диффузной материи. Вспомните, например, об открытии сверхновой звезды в Большом Магеллановом Облаке (с. 151).

12 Следующая ⇒