Реферат: Мир Галактик (Галактики и звездные системы)

П Л А Н :

1) Размерыи расстояния

2) Видыгалактик

A) Эллиптическиегалактики

B) Спиральныегалактики

C) Неправильныегалактики

D) Иглообразныегалактики

E) Радиогалактики

3) Причиныразличия галактик

4) Эволюциягалактик

A) Неустойчивость

B) Возникновениечёрных дыр, спиральных и эллиптических галактик

C) Наблюдениеэволюции галактик

5) Массагалактик

6) Строениенашей галактики

A) Какбыла открыта наша галактика

B) Формагалактики

C) Газоваяматерия в галактики

D) Вращениегалактики

E) Пылеваяматерия в галактики

F) Ядрогалактики

7) Составнашей галактики

A) Двойныеи кратный звезды

B) Рассеянныеи шаровые звездные скопления

C) Звездныеассоциации

D) Подсистемыгалактики

E) Спиральныеветви галактики

8) Метагалактика

A) Метагалактика

B) Распределениегалактик на небе

C) Сверхсистемагалактик

Сдревнейших времен людей интересовало, что же находится за горизонтом, и ониотправлялись исследовать далекие и незнакомые земли. По мере того как Земляоткрывала человеку большинство своих белых пятен, астрономы стали выходить вобласть новых и не исследованных территорий за пределами нашей маленькой планеты.Сегодня исследователи Вселенной, используя современные телескопы и ЭВМ,продвигаются в направлении всё больших расстояний в поисках предела Космоса — последней его границы.

Столетиямы были узниками Солнечной системы, считая звезды просто украшениями сферы,расположенной за планетами. Потом человек признал в этих крошечных светящихсяточках другие солнца, настолько далекие, что их свет идет до Земли многие годы.Казалось, что космос населен редкими одинокими звездами, и ученые спорили отом, простирается ли звездное население в пространстве неограниченно или же занекоторым пределом звезды кончаются и начинается пустота. Проникая все дальше идальше, астрономы нашли такой предел, и оказалось, что наше Солнце — одна изогромного числа звезд, образующих систему под названием Галактика. За границейГалактики была тьма.

XXвек принес новое открытие: наша Галактика-это еще не вся Вселенная. За самымидалекими звездами Млечного Пути находятся другие галактики, похожие на нашу ипростирающиеся в пространстве до пределов видимости наших крупнейшихтелескопов. Грандиозные звездные системы — одни из самых потрясающих и наиболееизучаемых современной астрономией объектов, и именно о них пойдет речь далее.

1. Размеры и Расстояния

МлечныйПуть — весьма характерный представитель своего типа галактик — столь огромен,что свету требуется более 100 тысяч лет, чтобы со скоростью 300 000 километровв секунду чтобы пересечь Галактику от края до края. Земля и Солнце находятся нарасстоянии около 30 тысяч световых лет от центра Млечного Пути. Если бы мыпопытались послать сообщение гипотетическому существу, проживающему вблизицентра нашей Галактики, то ответ получили бы не раньше, чем через 60 тысяч лет.Сообщение же, посланное со скоростью самолета (600 миль или 1000 километров вчас) в момент рождения Вселенной, к настоящему времени прошло бы лишь половинупути до центра Галактики, а время ожидания ответа составило бы 70 миллиардовлет.

Некоторыегалактики гораздо крупнее нашей. Диаметры самых больших из них — обширных галактик,излучающих огромное количество энергии в виде радиоволн, как, например,известный объект южного неба — Центавр А, в сто раз превосходят диаметрМлечного Пути. С другой стороны, во Вселенной много сравнительно небольшихгалактик. Размеры карликовых эллиптических галактик (типичный представительнаходится в созвездии Дракона) составляют всего около 10 тысяч световых лет.Разумеется, даже эти неприметные объекты почти невообразимо огромны: хотягалактику в созвездии Дракона можно назвать карликовой, ее диаметр превосходит160 000 000 000 000 000 километров.

Хотякосмос населяют миллиарды галактик, им совсем не тесно: Вселенная достаточноогромна, чтобы галактики могли удобно в ней разместиться, и при этом ещеостается много свободного пространства. Типичное расстояние между яркимигалактиками составляет около 5-10 миллионов световых лет; оставшийся объемзанимают карликовые галактики. Однако если принять во внимание их размеры, тооказывается, что галактики относительно гораздо ближе друг к другу, чем, например,звезды в окрестности Солнца. Диаметр звезды пренебрежимо мал по сравнению срасстоянием до ближайшей соседней звезды. Диаметр Солнца всего около 1,5миллиона километров, в то время как расстояние до ближайшей к нам звезды в 50миллионов раз больше.

Длятого чтобы представить огромные расстояния между галактиками, мысленно уменьшимих размеры до роста среднего человека. Тогда в типичной области Вселенной«взрослые» (яркие) галактики будут находиться в среднем на расстоянии100 метров друг от друга, а между ними расположится небольшое число детей.Вселенная напоминала бы обширное поле для игры в бейсбол с большим свободнымпространством между игроками. Лишь в некоторых местах, где галактики собираютсяв тесные скопления. наша масштабная модель Вселенной похожа на городскойтротуар, и уж нигде не было бы ничего общего с вечеринкой или вагоном метро вчас пик. Если же до масштабов человеческого роста уменьшить звезды типичнойгалактики, то местность получилась бы чрезвычайно малонаселенная: ближайший соседпроживал бы на расстоянии 100 тысяч километров — около четверти расстояния отЗемли до Луны.

Изэтих примеров должно стать ясно, что галактики довольно редко разбросаны воВселенной и состоят, в основном, из пустого пространства. Даже если учестьразреженный газ, заполняющий пространство между звездами, то все равно средняяплотность вещества оказывается чрезвычайно малой. Мир галактик огромен и почтипуст.

2. Виды галактик

Галактикиво Вселенной не похожи друг на друга. Некоторые из них ровные и круглые, другиеимеют форму уплощенных разметавшихся спиралей, а у некоторых не наблюдаетсяпочти никакой структуры. Астрономы, следуя пионерской работе Эдвина Хаббла,опубликованной в 20-х годах, подразделяют галактики по их форме на три основныхтипа: эллиптические, спиральные и неправильные, обозначаемые соответственно Е,S и Irr.

Эллиптические галактики характеризуются в целомэллиптической формой и не имеют никакой другой структуры, кроме общего паденияяркости по мере удаления от центра. Падение яркости описывается простымматематическим законом, который открыл Хаббл. На языке астрономов это звучиттак: эллиптические галактики имеют концентрические эллиптические изофоты, т. е.если соединить одной линией все точки изображения галактики с одинаковой яркостьюи построить такие линии для разных значений яркости (аналогично линиямпостоянной высоты на топографических картах), то мы получим ряд вложенных другв друга эллипсов примерно одинаковой формы и с общим центром.

Подтипыэллиптических галактик обозначаются буквой Е, за которой следует число n, определяемое по формуле

/>,где а и b — это соответственно большая ималая полуоси какой-либо изофоты галактики. Таким образом, эллиптическаягалактика круглой формы будет отнесена к типу Е0, а сильно сплюснутая можетбыть классифицирована как Е6

Прощевсего выглядят эллиптические галактики: они ровные, однородные по цвету исимметричные. Их почти совершенное строение наводит на мысль об их существеннойпростоте. И действительно, параметры эллиптических галактик оказалось легчеизмерить и подыскать под них теоретические модели, чем сделать это для болеесложных родственников этих объектов.

/>Рассмотрим, для примера,строение типичной эллиптической галактики M87. В ее центре находится яркое ядро. окруженноеразмытым сиянием, яркость которого падает по мере удаления от центра. Как и увсех эллиптических галактик, падение яркости описывается простой математическойформулой. Форма контура галактики тоже остается почти одинаковой на всехуровнях яркости. Все изофоты представляют собой почти идеальные эллипсы,центрированные в точности на ядро галактики. Направления больших осей иотношения большой оси к малой почти одинаковы у всех эллипсов.

Фундаментальнаяпростота эллиптических галактик согласуется с предположением о том, что ониуправляются небольшим числом сил. Орбиты звезд гладкие и хорошо перемешаны иничто, кроме гравитации, не влияет на их расположение, и никакое непрерывноезвездообразование не разрушило их правильности. Когда Хаббл впервые обратилвнимание на эти факты, он показал, что строение эллиптической галактики малоотличается от строения простой газовой среды, формируемой лишь гравитационнымисилами и состоящей из одинаковых частиц примерно одинаковой температуры. Чтобыпостроить такой объект из звезд, надо лишь взять много похожих звезд,расположить их рядом друг с другом в пространстве, позволить тяготениюпоработать с ними и долго-долго подождать, пока движения всех звезд не станутпохожими. Не следует придавать звездам систематических движений вроде общеговращения, но надо удостовериться в том, что звезды выбраны тихие иблагонравные, которые не будут извергаться, выбрасывать вещество или инымспособом нарушать скучную монотонность неизменного звездного царства. Но нетнеобходимости с самого начала распределять их в идеальном шаровом объеме.Можно, например, «сделать» из них ящик прямоугольной формы и простоподождать некоторое время. Звезды сами в конце концов расположатся в видесфероида. Тяготение действует сферически симметричным образом и, если вашагалактика управляется только гравитацией, то она выровняется, потеряет острыеуглы и станет симпатичной эллиптической галактикой.

Настоящиеэллиптические галактики, разумелся, не являются совершенными сферами. Например,изофоты M87 — это скорее эллипсы, чемокружности, и отношения их осей слегка различаются на разных расстояниях отцентра — во внешних частях изофоты менее круглые. Их ориентация тоже немногоменяется. Все эти несовершенства говорят нам, что простая модель эллиптическихгалактик не совсем правильна. Предыстория или особые обстоятельства, наверное,оказали заметное влияние на орбиты звезд. Может быть, дело во вращении илипричиной является приливное действие соседних галактик, или же мы наблюдаемпроявления особых начальных условий, столь сильные, что тяготению не хватиловремени для полного их устранения.

В отличие отэллиптических галактик, для спиральных характерно наличие диска и балджа(утолщения). Спиральные рукава уступают диску и балджу по количествусодержащихся в них звезд, хотя и являются важными и выдающимися частямигалактики. (Так же, как глаза на лице человека — это небольшая часть тела, ноони привлекают наше внимание и много говорят о внутреннем мире человека.)

Диск спиральной галактики довольноплоский. Видимые с ребра галактики говорят о том, что толщина типичного дискасоставляет около 1/10 его диаметра. В нашей собственной Галактике, где мы можемвести подсчет звезд в диске и измерять его толщину, оказалось, что звездноенаселение быстро редеет и на высоте 3000 световых лет над плоскостью галактикистановится весьма разреженным. Это в особенности справедливо для самых молодыхзвезд и сырья (газа и пыли), находящегося в ожидании формирования будущихзвезд. Успиральных галактик хорошо заметно плоское спиральное распределение яркостивокруг утолщенного ядра. Идеальные спиральные галактики имеют две спиральныеветви (рукава). исходящие либо прямо из ядра, либо из двух концов бара(перемычки), в центре которого расположено ядро. Этот признак позволил разделитьспиральные галактики на два основных подтипа: нормальные спиральные галактики(S) и пересеченные спиральные галактики (SB). Нормальных спиральных галактик вомного раз больше, чем пересеченных. Дальнейшее разделение спиральных галактикна подтипы проводится по следующим трем критериям: 1) относительной величинеядра по сравнению с размерами всей галактики: 2) по тому, насколько сильно илислабо закручены спиральные ветви и 3) фрагментарности спиральных ветвей.

К типу Sa (илиSBa) относят галактики с очень обширной ядерной областью и сильно закрученнымиспиральными (почти круговыми) ветвями — непрерывными и гладкими, а нефрагментарными. Галактики Sb и SBb имеют относительно небольшую ядерную областьпри не очень сильно закрученных спиральных ветвях, которые разрешаются наотдельные яркие фрагменты. Галактики типа Sc (и соответствующие им пересеченныегалактики) характеризуются сильно фрагментированными обрывочными спиральнымирукавами (см. рис. 1 и фото III-IX). У галактик SBc даже бар разделяется наотдельные фрагменты.

У всехспиральных галактик ядро представляет собой яркую область, обладающую многимипризнаками эллиптической галактики. Закон падения яркости, открытый Хабблом дляэллиптических галактик, оказался справедливым и для центральных ядерных областейспиральных галактик и поэтому эти области иногда называют «эллиптическимкомпонентом».

У некоторых видимых с ребра спиральныхгалактик заметны мощные тончайшие прослойки пыли, пересекающие диск в самой егосередине, в то время как самые старые звезды диска образуют гораздо болеетолстый слой.

Во второйполовине 40-х годов ХХ века У. Бааде (США) установил, что клочковатостьспиральных ветвей и их голубизна растут с повышением содержания в них горячихголубых звезд, их скоплений и диффузных туманностей. Центральные частиспиральных галактик желтее, чем ветви и содержит старые звезды (населениевторого типа, по Бааде, или население сферической составляющей), тогда какплоские спиральные ветви состоят из молодых звезд (население первого типа, илинаселение плоской составляющей) (см. рис. Галактики NGC1232).

/>Данныеизмерений распределения яркости в дисках спиральных галактик обнаруживают оченьважное сходство — это обстоятельство хорошо задокументировано, но до сих пор неполучило удовлетворительного объяснения. Яркость весьма регулярным образомпадает по мере удаления от центра (см. рис. Галактики NGC 1232) всоответствии с универсальной математической зависимостью, которая, однако,отличается от аналогичной зависимости для эллиптических галактик.

Наблюдаемыесвойства галактических дисков находят естественное объяснение в созданных наЭВМ моделях быстро вращающихся звездных систем. Рассмотрим описанную вышеэллиптическую галактику. Если ее протогалактическому газовому облаку придатьбыстрое вращение еще до образования большинства звезд, то облако приобрететплоскую форму, и распределение звезд будет напоминать диск спиральнойгалактики. Таким образом, оказывается, что основное структурное отличиеэллиптических галактик от спиральных состоит в скорости исходного вращения.

Тогда откудаже появляется балдж? Если быстро вращающееся протогалактическое облакопорождает диск, а медленно вращающееся или совсем не вращающееся превращается вэллиптическую галактику, то что же делают в центрах спиральных галактик этитолстые эллипсоидальные балджи? Они обладают большинством структурных свойствэллиптических галактик: правильными изофотами, наличием старых звезд,существенной толщиной и ровно падающим распределением яркости. Ответ следует,по-видимому, искать в том обстоятельстве, что газ ведет себя совсем не так, какзвезды. Газовое облако может довольно легко избавиться от энергии — простонагреваясь и излучая ее. При этом вращающееся газовое облако станет плоским ипревратится в диск. Однако если в некоторые момент времени газ начинаетконденсироваться в звезды, то ситуация меняется. Звезды не сталкиваются, какатомы в газе. Их размеры слишком малы по сравнению с расстояниями между ними.Так как звезды не нагреваются столкновениями, то они не рассеивают эффективнымобразом свою энергию и поэтому не коллапсируют в плоскость. Поэтому, еслизвезды начинают образовываться — а это происходит сначала в центральныхобластях, где плотность самая высокая, то они останутся на месте в большомтолстом центральном балдже.

Например, вМлечном Пути первыми должны были образоваться звезды в центральном балдже,которые сейчас являются старейшими. Оставшийся газ сколлапсировал в плоскость,где медленно образовывались и вращались вместе с газом другие звезды. Этоттонкий плоский диск (хотя этот диск далеко не всегда плоский: см. рис.галактики ESO 510) сталместом большей части последующих активных событий в нашей Галактике: звезды,гигантские молекулярные облака, облака возбужденного газа и крупномасштабныеспиральные узоры — все это развивалось здесь, в запутанной структуре, бросающейсейчас вызов нашим теоретическим моделям.

Спиральныегалактики не выглядели бы особенно интересными без своей спиральной структуры — без нее они бы, разумеется, не были спиральными Галактиками, но все обстоит ещехитрее. Если спиральная галактика образуется потому, что вращение заставляетгаз коллапсировать на плоскость, то спиральная форма рукавов кажетсяестественным результатом — вроде узора, образуемого сливками, которые наливаютпри помешивании в чашку кофе, или вроде воды, уходящей через сток. Эти ситуациине являются строгими аналогами галактики, но хорошо иллюстрируютзакономерность: где есть вращение, там обычно бывает и спиральная структура.Поэтому на протяжении многих лет астрономов особенно не беспокоила спиральнаяформа многих галактик — она казалась совершенно естественной.

Перваясерьезная трудность возникла, когда кому-то пришло в голову задать вопрос: какдолго существует в галактике спиральный рукав? Известны периоды вращениягалактик, типичные значения которых для звезд, расположенных на расстоянии отядра, эквивалентном расстоянию Солнца до центра Галактики, составляют несколькосотен миллионов лет. Известны возрасты ближайших галактик — около 10 миллиардовлет. Если спиральная структура возникает из-за того, что внутренняя частьгалактики вращается со скоростью, отличной от скорости внешней части, то рукавадолжны постепенно закрутиться в спиральный узор. Однако для галактики свозрастом, характерным для окружающих нас галактик, число оборотов узора должнобыть очень большим — примерно равным возрасту, деленному на средний периодвращения — около 100. У реальных спиральных галактик — по крайней мере у тех,что имеют четкие непрерывные спиральные ветви, наблюдается закрутка спиральногоузора лишь на один-два оборота. Встает вопрос: «замораживаются» лиспиральные рукава каким-то образом, что позволяет им сохраниться? Или же онизакручиваются до исчезновения, чтобы смениться новыми? Или же есть для нихвозможность не участвовать в общем вращении звезд и газа, что позволяет имвращаться медленнее?

Проблема не втом, что мы не можем придумать, как создать спиральную структуру: любая«капля», вращающаяся, как галактика с различными периодами вращенияна различных расстояниях от центра, создает спиральный узор. Проблема в том,как галактика приобретает спиральную форму, которая сохраняется. В настоящеевремя существует три типа ответов, и мы еще не знаем наверняка, какой же из нихправильный. Возможно, что все являются правильными в том или ином случае, испиральная структура даже одной индивидуальной галактики может иметь смешанноепроисхождение.

По-видимому,самым аккуратным и элегантным для спиральных галактик является объяснение,известное под названием теории волн плотности. После развития шведскимастрономом Бертилом Линдбладом многих связанных с ней теоретических идей, теорияволн плотности была полностью разработана и успешно применена в 60-х годахк галактикам Ц. Ц. Лином и его студентами в Массачусетсском технологическоминституте. Они показали, используя математический анализ устойчивости плоскогозвездного диска, что отклонение от регулярной формы в начальном распределениигаза может стать устойчивым и постепенно превратиться в двухрукавный спиральныйузор, вращающийся значительно медленнее звезд. Входя в рукав, звезды на времязамедляются, что приводит к повышенной плотности в рукаве, а потом продолжаютдвижение за фронтом волны. На границе фронта должна возникать ударная волна вгазе, которая может вызвать процесс звездообразования, и поэтому в некоторыхгалактиках наблюдается концентрация активных газовых облаков и новообразованныхзвезд в рукавах (см. рис. Галактики NGC1232). Формаспиральных рукавов в рамках этой гипотезы очень похожа на форму реальныхспиральных рукавов в небольшом количестве галактик с «совершенной»спиральной структурой — таких, как М81. Однако она не подходит для описанияболее распространенного типа галактике чрезвычайно несовершенными рукавами — фрагментарными, размытыми и нечеткими.

Теория, лучшевсего применимая в случае таких галактик опирается на действие весьмапростых искажений любой структуры, вызываемых дифференциальным вращениемгалактики. Вместо наличия постоянно существующего набора рукавов эта гипотезапредсказывает непрерывное рождение и распад спиральных сегментов. Многиепервооткрыватели в этой области считали, что такой метод может работать, нужнобыло лишь найти способ восстановления рукавов. В 1965 г. был созданкомпьютерный фильм, изображавший весь процесс в действии. В этом фильме вкачестве модели использовалась галактика М31 в предположении случайного(стохастического) процесса возникновения областей звездообразования. Прирождении такие области проявляют себя как яркие участки повышенной активности.Вперед дифференциальное вращение вытягивает их в длинные узкие сегментыспиральной формы, и эти области постепенно тускнеют по мере того, какрасходуется сконцентрированный в них газ. Само собой, результатом является несовершенный двухрукавный спиральный узор, а скорее набор спиральных фрагментов,покрывающих галактику и придающих ей некоторое подобие спиральной формы, но срукавами, которые нельзя проследить на протяжении более чем несколько десятковградусов.

Созданные вкомпьютерном фильме системы по форме напоминают многие спиральные галактики ипоэтому вероятно, что в таких объектах преобладают стохастические процессынаподобие упомянутого выше. Это особенно верно для некоторых видов идеальныхобластей звездообразования, содержащих последовательность участков на разнойстадии активности: спереди находится гигантское молекулярное облако, котороесобирается конденсироваться в звездное скопление, за ним — газовое облако,освещенное и потерявшее часть газа из-за наличия в нем только чтообразовавшихся звезд, а за облаком — стареющее и медленно распадающеесязвездное скопление, относительно свободное от газа. Эта последовательностьобластей имеет примерно линейную форму и будет вытянута дифференциальнымвращением в сегмент спирального рукава. Результатом является спиральнаягалактика, образованная разрозненными фрагментами спиральных рукавов.Следовательно, стохастическая теория, кажется, в состоянии объяснить форму какраз тех галактик, которые не могут быть описаны теорией волн плотности. Такимобразом, нам, может быть, не нужны другие идеи — нужно всего лишь терпение впроведении подробных измерений, необходимых для сравнения свойств спиральныхрукавов с различными версиями каждой из теорий.

Существует,однако, еще одна возможность. Любое возмущение диска может приводить кскоплению газа, что будет проявляться в виде спиральных рукавов или спиральныхсегментов. Возмущение может исходить извне или же изнутри — из собственногоядра галактики. (см. рис. выброса из галактики M87) Одна извозможностей первого типа состоит в том, что межзвездный газ может втекать вгалактику, образуя спиральные рукава. Эта гипотеза не очень привлекательна, таккак газ будет преимущественно со стороны полюсов, где нет достаточногоколичества другого газа для столкновения, и известно очень мало случаев, когдаспиральные рукава не лежат в плоскости диска. Более привлекательным внешнимагентом может быть приливное воздействие других галактик при близкихпрохождениях. Приливы, порождаемые близкими прохождениями, почти столкновениями- воздействуют на звезды и газ и могут исказить форму галактики в достаточнойстепени для возникновения неправильных образований, которые в ходе вращенияприобретут спиральную форму. Это красивая идея, но ее недостаток — внеобходимости близкого прохождения другой галактики. К сожалению, расстояния междугалактиками слишком велики, чтобы этот механизм мог быть эффективным вбольшинстве случаев. Однако в том, что касается прохождений галактик вблизидруг друга, нас могут ожидать сюрпризы. Недавние определения темповзвездообразования показывают. что в близко расположенных друг к другугалактиках темп звездообразования аномально велик — особенно в ядрах. Можетбыть, окажется, что приливные эффекты включаются гораздо легче, чем мы сейчасдумаем.

/>Нетубедительных свидетельств в пользу возникновения спиральных рукавов врезультате активности в ядрах галактик, но в этих таинственных и бурныхобластях происходит достаточно событий, чтобы появилась подобная гипотеза. Врадиогалактиках и квазарах — наблюдаются очень высокоэнергетические процессы вядрах галактик, многие из которых выбрасывают огромные потоки газа даже завидимые пределы галактики (см. рис. выброса из галактики M87). Возможно,активность этого типа может каким-то образом приводить к образованию спиральныхрукавов, но в настоящее время эта гипотеза весьма расплывчата и неподкрепляется разумной физической моделью.

У многихспиральных галактик есть еще одна замечательная структурная особенность, обычнонекоторым образом связанная со спиральными рукавами: большая концентрация звездв форме бруска (бара), пересекающая ядро и простирающаяся симметричным образомв обе стороны. Данные измерений скоростей в них показывают, что бары вращаютсявокруг ядра как твердые тела, хотя, разумеется, они на самом деле состоят изотдельных звезд и газа. Бары, встречающиеся в галактиках SO или Sa, болееровные и состоят исключительно из звезд, в то время как бары в галактиках типовSb, Sc и Irr часто содержат много газа и пыли. Все еще идут споры о движенияхгаза в этих барах. Некоторые данные свидетельствуют о том, что газ течет наружувдоль бара, а по другим данным, он течет внутрь. В любом случае, существованиебаров не удивляет астрономов, изучающих динамику галактик. Численные моделипоказывают, что неустойчивости в диске вращающейся галактики могут проявлятьсяв форме бара, напоминающего наблюдаемые.

К неправильным галактикам Хабблотнес все объекты, которые не удавалось причислить ни к эллиптическим, ни кспиральным.

Большинствонеправильных галактик очень похожи друг на друга. Они чрезвычайно фрагментарныи в них можно различить отдельные наиболее яркие звезды и области горячегоизлучающего газа.

Некоторыенеправильные галактики имеют хорошо заметный бар и у многих из них можноразличить обрывки структуры, напоминающей фрагменты спиральных рукавов.

Характеристикинеправильных галактик не являются совершенно иррегулярными. У них много общихчерт, служащих указанием на причины хаотичности их видимой формы. Все этигалактики богаты газом и почти все содержат много молодых звезд и облаковсветящегося ионизованного газа, часто исключительно больших и ярких. Ни одна изгалактик не имеет центрального балджа или какого-нибудь реального ядра.Распределение яркости неправильных галактик в среднем падает при переходе отцентра наружу по такому же математическому закону, как в спиральных галактиках.Многие из них имеют в центральных областях структуры типа бара — особеннохорошим примером является Большое Магелланово Облако.

Неправильнаяформа у галактики может быть в следствии

того, что она не успела принятьправильной формы из-за малой плотности в ней материи или из-за молодоговозраста. Есть и другая версия: галактика может стать неправильной в следствииискажения формы в результате взаимодействия с другой галактикой (см. рис.поврежденной галактики NGC6745).

Оба такихслучая встречаются среди неправильных галактик, может быть, с этим связаноразделение неправильных галактик на два подтипа.

Подтип I1характеризуется сравнительно высокой поверхностной яркостью и сложностьюнеправильной структуры. Французский астроном Вокулер в некоторых галактикахэтого подтипа обнаружил признаки разрушенной спиральной структуры. Кроме того,Вокулер заметил, что галактики этого подтипа часто встречаются парами.Существование одиночных галактик так же возможно. Объясняется это тем, чтовстреча с другой галактикой могла иметь место в прошлом, теперь галактикиразошлись, но для того, чтобы принять снова правильную форму им требуетсядлительное время.

Другой подтип I2 отличаетсяочень низкой поверхностной яркостью. Эта черта выделяет их среди галактик всехдругих типов. Галактики этого подтипа отличаются так же отсутствием ярковыраженной структурности.

Если галактикаимеет очень низкую поверхностную яркость при обычных линейных размерах, то этоозначает, что в ней очень мала звёздная плотность, и, следовательно, оченьмалая плотность материи.

Важным намекомна то, как образуются неправильные галактики, являются результаты сравнения ихсветимостей со светимостями спиральных галактик. Почти все они значительнослабее даже наименее ярких спиральных галактик. Спиральная галактика М33,представляющая примерно нижнюю границу диапазона светимостей спиральныхгалактик, все еще ярче Большого Магелланова Облака — одной из ярчайших неправильных галактик. Итак, отсутствие спиральных рукавов у неправильных галактик,по-видимому, связано с их малостью. Возможно, это связано также с величинойуглового момента галактики и интенсивностью турбулентных движений в ней.Плоскости неправильных галактик относительно толще, чем у спиральных; этопозволяет предполагать, что вращение звезд и газа столь медленное, чтоспиральные рукава не возникают. С другой стороны, если вращение было бы слишкоммедленным, то галактика не сплющилась бы до плоскости — неважно, толстой илитонкой — и образовалась бы массивная карликовая эллиптическая галактика.

На самом делемы не можем с уверенностью сказать, какова связь карликовых эллиптических икарликовых неправильных галактик. Согласно традиционным представлениям, звездыв эллиптических галактиках очень старые (их возраст 10 и более миллиардов лет),в то время как неправильные галактики содержат как старые, так и молодыезвезды. Однако существуют некоторые свидетельства в пользу того, что внекоторых карликовых эллиптических галактиках — например, в карликовойгалактике в созвездии Киля — еще 2-3 миллиарда лет назад происходил активныйпроцесс звездообразования, и во время этих эпизодов они могли выглядеть, каккарликовые неправильные галактики. Это важный вывод, так как динамическиеобъяснения различий галактик этих двух типов придется отвергнуть в случае, еслиони могут свободно переходить из одного типа в другой и обратно.

Имеются такжегалактики, для которых характерно отсутствие ядра — утолщения, наблюдаемого вцентральной части.

Такиегалактики называют иглообразными.

/>Вначале 60-х годов ХХ века было открыто множество далеких компактных галактик,из которых наиболее далекие по своему виду неотличимы от звезд даже всильнейшие телескопы. От звезд они отличаются спектром, в котором видны яркиелинии излучения с огромными красными смещениями, соответствующими таким большимрасстояниям, на которых даже самые яркие одиночные звезды не могут быть видны.В отличие от обычных далеких галактик, которые, из-за сочетания истинногораспределения энергии в их спектре и красного смещения выглядят красноватыми,наиболее компактные галактики (называющиеся также квазозвездными галактиками)имеют голубоватый цвет. Как правило, эти объекты в сотни раз ярче обычныхсверхгигантских галактик, но есть и более слабые. У многих галактик обнаруженорадиоизлучение нетепловой природы, возникающее, согласно теории русскогоастронома И.С.Шкловского, при торможении в магнитном поле электронов и болеетяжелых заряженных частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света(так называемое синхотронное излучение). Такие скорости частицы получают врезультате грандиозных взрывов внутри галактик.

Компактныедалекие галактики, обладающие мощным нетепловым радиоизлучением, называютсяN-галактиками (или Активными Галактиками).

Звездообразныеисточники с таким радиоизлучением, называются квазарами (квазозвезднымирадиоисточниками), а галактики обладающие мощным радиоизлучением и имеющиезаметные угловые размеры, — радиогалактиками. Радиогалактики, имеющиеособенно мощное нетепловое радиоизлучение, обладают преимущественно эллиптическойформой, но встречаются и спиральные.

Большойинтерес представляют так называемые галактики Сейферта. В спектрах их небольшихядер имеется много очень широких ярких полос, свидетельствующих о мощныхвыбросах газа из их центра со скоростями, достигающими несколько тысяч км/сек.Ученые предполагают, что в центрах галактик Сейферта находятся сверхмассивныечёрные дыры, которые выбрасывают большое количество гравитационной энергии.Часть энергии в нагретой плазме высвобождается в виде гамма-излучения.

Близкие к намрадиогалактики изучены полнее, в частности методами оптической астрономии. Внекоторых из них обнаружены пока еще не объясненные до конца особенности.

/> Приизучении неправильной галактики М82 в созвездии Большой Медведицы американские астрономыА.Сандж и Ц.Линдс в 1963 году пришли к заключению, что в ее центре около 1,5миллионов лет назад произошел грандиозный взрыв, в результате которого во всестороны со скоростью около 1000 км/сек были выброшены струи горячего водорода.

Сопротивлениемежзвездной среды помешало распространению струй газа в экваториальнойплоскости, и они потекли преимущественно в двух противоположенных направленияхвдоль оси вращения галактики. Этот взрыв, по-видимому, породил и множествоэлектронов со скоростями, близкими к скорости света, которые явились причинойнетеплового радиоизлучения.

Таким образом,радиогалактики — это галактики, у которых ядра находятся в процессе распада.Выброшенные плотные части, продолжают дробиться, возможно, образуют новыегалактики — сестры, или спутники галактик меньшей массы. При этом скоростиразлета осколков могут достигать огромных значений. Исследования показали, чтомногие группы и даже скопления галактик распадаются: их члены неограниченноудаляются друг от друга, как если бы они все были порождены взрывом.

Хотя мы ипродвигаемся вперед, еще многое надо узнать о строении галактик. Мы можемдостичь большего, чем просто описывать различия, мы можем для многих из нихдать объяснения. Однако число нерешенных проблем достаточно велико и астрономампридется творчески обдумывать их на протяжении многих лет.

3. Причины различия галактик

Еще со временХаббла астрономы пытались установить, под действием каких процессов галактикипринимают ту или иную форму. В некоторых из ранних теорий предполагалось, чторазные типы галактик представляют собой эволюционную последовательность.Считалось, что галактики возникают как объекты одного типа и постепенно в ходеэволюции превращаются в объекты другого типа. Согласно одной из таких гипотез,галактики начинают свой эволюционный путь как эллиптические, потом у нихразвивается спиральная структура и, наконец, эта структура распадается и объектпревращается в хаотическую неправильную галактику. Другие астрономыпредполагали противоположное направление эволюции: галактики возникают какнеправильные, закручиваясь, превращаются в спиральные и завершают свою эволюциюв простой и симметричной эллиптической форме. В основе обеих теорий былагипотеза о том, что тип галактики связан с ее возрастом. Ни одна из теорий неопиралась на какой-либо физический фундамент, и обе были опровергнутымноголетними исследованиями. Как только астрономы поняли процесс звезднойэволюции и научились определять возраст звезд (это стало возможно в 50-хгодах), оказалось, что галактики всех типов имеют примерно одинаковый возраст.Почти в каждой галактике присутствует хотя бы несколько звезд с возрастом внесколько миллиардов лет. Отсюда следует, что ни эллиптические, ни неправильныегалактики не могут быть старше остальных.

Однако эллиптическиегалактики состоят почти исключительно из старых звезд, в то время как галактикидругих хаббловских типов содержат относительно больше молодых звезд. Такимобразом, хаббловская последовательность все же имеет некоторое отношение квозрастам. По-видимому, форма галактики связана со скоростью образования в нейновых молодых звезд уже после ее рождения, а следовательно, и с распределениемзвезд по возрастам. В эллиптических галактиках очень мало звезд возникло послестадии образования галактики и поэтому мы наблюдаем здесь ничтожное количествомолодых звезд. В галактиках типа Sa звезды продолжают образовываться до сихпор, но скорость этого процесса невелика, в галактиках типа Sb темпзвездообразования выше, галактики типа Sc очень активны, а наиболее бурнозвездообразование протекает в галактиках типа Irr 1.

Эти результатынавели исследователей на мысль о том, что последовательность хаббловских типовупорядочивает галактики по степени сохранения ими газа и пыли: неправильныегалактики сберегли большую часть своего газа и своей пыли для постепенногорождения все новых и новых звезд, в то время как эллиптические галактикиизрасходовали почти весь свой исходный газ на первую взрывную вспышкузвездообразования. Но как различие в количестве сохранившегося газа и пылипривело к столь сильно отличающимся формам? Этот вопрос будет рассмотрен дальшев главе, посвященной рассмотрению процесса образования галактики. Согласносовременным представлениям (теперь уже подтвержденным результатами всевозможныхисследований) два важнейших фактора, определяющих форму галактики, это,во-первых, начальные условия (масса и момент вращения) и, во-вторых, окружение(т.е. членство в скоплении или наличие близких спутников). В этом отношениигалактика похожа на человека: ее характер зависит как от наследственности, таки от общества, в котором она «вращалась».

4. Эволюция галактик

Одна из задачсовременной астрономии — понять, как образовались галактики и как ониэволюционируют. Во времена Эдвина Хаббла и Харлоу Шепли было заманчиво верить вто, что типы галактик соответствуют разным стадиям их развития. Однако этагипотеза оказалась неверной, и задача реконструкции историй жизни, галактикоказалась трудной. Самой же трудной оказалась проблема первоначальноговозникновения галактик.

ПриродаВселенной в те времена, когда еще не существовали галактики, неизвестна, иприписываемые ей гипотетические характеристики в значительной степени зависятот выбираемой космологической модели. Большинство принятых в настоящее времякосмологических моделей предполагает общее расширение, начиная с нулевогомомента времени (сразу же после которого Вселенная имеет исключительно высокиеплотность и температуру). Физические процессы, описывающие первичный взрыв вэтих моделях, могут быть довольно надежно прослежены до момента, когдаплотность и температура становятся достаточно низкими, чтобы стало возможнымобразование галактик. Примерно 1 миллион лет потребовался для того, чтобыВселенная расширилась и остыла настолько, что вещество стало играть в нейважную роль. До этого преобладало излучение, и сгустки вещества, такие какзвезды или галактики, не могли образовываться. Однако, когда температура сталаравной примерно 3000 К, а плотность-около 1021 г/см3(значительно меньше плотности земной атмосферы, но по меньшей мере в миллиардраз больше современной плотности Вселенной), вещество, наконец, смоглоформироваться. В это время в достаточных количествах могли образовываться лишьатомы водорода и гелия.

Хотя можнопредставить несколько механизмов образования галактик из этоговодородно-гелиевого газа, найти хотя бы одну модель, работающую в вероятныхусловиях ранней Вселенной, трудно. Очень мало резонов для образования галактикв расширяющейся Вселенной с однородным распределением температуры и вещества. Втакой идеализированной Вселенной никогда не будет галактик. Существованиегалактик во Вселенной и видимое преобладание их как форм вещества говорят отом, что догалактическая среда никак не напоминала такое идеализированноегазовое облако. Вместо этого должны были существовать какие-то неоднородности.Однако какого типа эти неоднородности и откуда они взялись?

/>Большинствопопыток найти способы конденсации вещества Вселенной в галактики основаны нагипотезе, впервые подробно разработанной сэром Джеймсом Джинсом. Хотя сейчаспринимается, что в ранней Вселенной газ расширялся в соответствии срелятивистской космологической моделью, идеи Джинса основывались на болеепростой ньютоновской модели Вселенной, где гравитационная неустойчивостьвозникает, когда сгусток более плотного вещества (называемый возмущением)становится достаточно малым и плотным. Характерный размер возмущений плотности,которые являются только слегка неустойчивыми, называется джинсовской длиной и,как было установлено, она зависит от скорости звука в среде, постояннойтяготения и плотности вещества.

Джинсовскаямасса определяется как масса вещества, которая может стать неустойчивой иначать сжиматься под действием собственного гравитационного поля (см. рис.).Согласно расчетам, в начале «эры вещества» джинсовская массасоставляет около 105 солнечных масс, и, таким образом, в этот моментистории Вселенной возмущения с такими массами и больше (что включает всеизвестные галактики) должны были стать неустойчивыми и сжаться. Простая модельДжинса не позволяет исследовать ситуацию во время «эры излучения»,так как в этом простом анализе не учитывается влияние давления излучения нагаз. Однако несколько астрономов и космологов исследовали более сложный случайпри наличии излучения, и результаты приблизительно согласуются с результатами,полученными с использованием более простых моделей.

В поисках типаиррегулярности или неустойчивости, которая приводит к современной Вселенной,состоящей из галактик, астрономы исследовали много других видов неустойчивости,кроме гравитационных. Среди них — возможное отсутствие баланса вещества иантивещества, тепловые неустойчивости, флуктуации, связанные с ионизацией и еезависимостью от температуры и вариации распределения заряда.

/>Еслипредполагается из соображений симметрии, что количество вещества во Вселеннойбыло равно и равно сейчас количеству антивещества, то современное существованиевещества и антивещества в изолированных областях во Вселенной, естественно,может быть результатом небольшого локального неравенства компонентов в раннейВселенной после того, как вещество и антивещество отделились от излучения. Вовремя расширения Вселенной полная аннигиляция произойдет в тех областях, гдеколичества вещества и антивещества равны, а там, где имеется исходный избытокодного из них над другим, часть вещества или антивещества останется (см. рис.).Распределение вещества и антивещества будет клочковатым и сгустки будутсжиматься, образуя скопления галактик. Такая вселенная в конце концов будетсостоять из кусочков вещества и антивещества, расположенных в различных местах.

В этом случаепримерно половина видимых нами галактик будет состоять из антизвезд. Если мыотправимся в путешествие в такое место и попытаемся совершить посадку напланету из антивещества, то наши атомы бурно провзаимодействуют с атомамиантивещества на месте посадки и они аннигилируют друг с другом, что вызоветяркую вспышку света, но вряд ли сделает визит очень приятным. От нас ничего неостанется, кроме дыры на поверхности в память о нашей авантюре.

/>Болеевероятная гипотеза утверждает, что вначале количество вещества немногопревосходило количество антивещества. Тогда большая часть вещества должна былапроаннигилировать с антивеществом на ранних космических фазах при высокойплотности, оставив купающуюся в лучах света Вселенную с количеством вещества,как раз достаточным для образования галактик.

Другоймеханизм, который мог способствовать конденсации вещества — это тепловаянеустойчивость. Области с немного повышенной плотностью остывают быстрее, чемих окружение. Более горячие окружающие регионы сильнее сжимают эти области,повышая их плотность. Таким образом, небольшое возмущение плотности можетстановиться все более неустойчивым (см. рис.).

/>Согласноеще одной гипотезе, предложенной Георгием Гамовым, гравитационные силы могутусиливаться «симулированной гравитацией», создаваемой в раннейистории Вселенной интенсивным полем излучения. Частицы в такой Вселенной, какправило, затеняют друг друга от излучения и в результате испытывают действиесилы, направленной от каждой частицы к другой частице. Эта сила, с которойчастицы подвергаются действию друг друга, ведет себя по закону обратныхквадратов, подобно силе тяготения. Можно, например, представить себе двечастицы, разделенные небольшим расстоянием в богатом излучением поле. Частицыпоглощают энергию фотонов поля излучения и поэтому находятся под влиянием сил,действующих в разных направлениях. Рассмотрим ситуацию, когда одна частицапоглощает фотон, приходящий с направления, противоположного направлению навторую частицу. На эту частицу действует сила в направлении второй частицы. Таккак фотон был поглощен первой частицей, вторая частица оказывается защищеннойот поля излучения в этом направлении, и поэтому на нее действует силапреимущественно в направлении первой частицы. В результате возникает эффектвзаимного притяжения двух частиц, вызванный их взаимным затенением от поляизлучения. Установлено, что этот эффект тени имеет значение лишь на протяжениипримерно первых 100 лет существования Вселенной, после чего интенсивностьизлучения и степень близости частиц уменьшается.

Последостижения индивидуальными протогалактиками гравитационной выделенности черезкакую-либо форму неустойчивости в догалактическом газе, они коллапсируют собразованием галактик значительно меньших размеров и с большими плотностями,оставляя промежуточное пространство почти пустым. Реальный процесс сжатия можноисследовать лишь при помощи теоретического моделирования. Еще не открытагалактика, о которой с уверенностью можно сказать, что она молода по сравнениюс оценкой возраста Вселенной, и таким образом, нет объекта, наблюдаемого встадии сжатия. Вместо этого надо исследовать те ключи к пониманию состояниясреды до сжатия, которые можно извлечь из современных характеристик галактик ииз их прошлого, наблюдая объекты на больших расстояниях. Можно также подходитьк этой проблеме, предлагая правдоподобные начальные условия и производявычисления, чтобы посмотреть, можно ли прийти к реалистичной картине врезультате сжатия исходной протогалактики. Начальные условия, с которых мыдолжны начинать эти вычисления, включают массу галактики, ее угловой момент,размеры, температуру, химические характеристики, магнитное поле и внутренниетурбулентные движения.

/>Рассмотримпростейшее начальное состояние, в котором свойства протогалактики таковы, чтоона является холодной, полностью однородной по плотности, совершенносферической и без турбулентных движений, магнитного поля и внешних воздействий.Для объекта, сравнимого по массе с Млечным Путем, порядка 1011 массСолнца, такой набор начальных условий приводит к совершенно не остановимомуколлапсу. Гравитационный потенциал такого объекта достаточно велик, чтобыникакой физический процесс не мог остановить его коллапс в массивную чернуюдыру, и вычисления показывают, что за короткое по космическим масштабам времятакой объект исчезнет (см. рис.). Объект переходит через предел Шварцшильда,представляющий собой границу, определяемую в рамках общей теорииотносительности и возникающую при сжатии массивного тела до столь малыхразмеров и громадных плотностей, что свет больше не может уйти от него. Объектисчезает для внешнего наблюдателя и наблюдается лишь его гравитационное поле.Таким образом, простейшие начальные условия вообще не приводят к образованиюгалактики.

Более разумныйнабор начальных условий следующий: в ходе одного из рассмотренных вышепроцессов газовое облако уже сжалось до такой степени, что оно сталоустойчивым, несмотря на расширение окружающей Вселенной; пусть это будетплотность около 10-28 г/см. Если принять массу равной 1011солнечных масс, то указанная плотность дает для сферического облака начальныйрадиус около 200 кпк (против 30 кпк — типичного радиуса для этой массы послесжатия). Для того чтобы сжатие было возможным, кинетическая, магнитная игравитационная энергии должны быть соответствующим образом сбалансированы.Другие начальные условия, необходимые для начала сжатия, следующие: скоростьвращения должна быть мала — менее 40 км/с, температура — меньше 2-105К и напряженность магнитного поля должна быть разумно мала — меньше 2-107гаусс.

Еслираспределение плотности облака остается однородным в ходе сжатия, тогравитационная энергия возрастает обратно пропорционально уменьшающемусярадиусу. С другой стороны, температура остается примерно одинаковой до тех пор,пока плотность вещества не станет настолько большой, что оно станет оптическитолстым для излучаемых длин волн. До того, как это произойдет, тепловая энергия(величина энергии движения частиц газа, т. е. температура) газового облака независит от радиуса, но после достижения критического значения плотноститепловая энергия при уменьшении радиуса начинает сильно возрастать. Тепловаяэнергия может остановить сжатие лишь когда радиус меньше этого критическогозначения — теплового предела. Пока размеры облака больше, турбулентная энергияне важна, так как она быстро рассеивается.

Аналогично,магнитная энергия, возрастающая при сжатии облака, никогда не превышаетгравитационную энергию, если она была меньше гравитационной энергии в начальныймомент. В некоторый момент радиус становится достаточно малым, чтобы энергиявращения уравновесила гравитационную энергию — это определяет вращательныйпредел. При другом критическом размере из газа конденсируются звезды иначинается быстрый переход от газового облака к галактике, состоящей из звезд.Это конденсациочный предел. Окончательная судьба сжимающегося облака зависит отсоотношения этих трех критических радиусов. В зависимости от того, какой из нихнаибольший, появляются три интересные возможности.

/>Еслинаибольший радиус соответствует вращательному пределу, то сжатиеостанавливается вращением (см. рис.). Однако центробежные силы ограниченыплоскостью вращения, так что сжатие в направлении, перпендикулярном этойплоскости, продолжается до образования тонкого диска. Этот диск выделяетсяформой и наличием вращения — это спиральная галактика.

В случае, еслинаибольшим является конденсационный, предел, звездообразование начинается дотого, как эффекты вращения становятся важным фактором торможения сжатия. Помере роста плотности темп звездообразования увеличивается, и большая часть газапроходит через этот процесс. В этом случае, когда сжатие останавливается насоответствующем пределе, для эффективной диссипации энергии почти не остаетсягаза или его остается очень мало. Поэтому диск не образуется. Согласноэнергетическим условиям, объект должен после этого несколько расшириться додостижения радиусом другого критического значения. Орбиты звезд будут таковы,что галактика станет почти сферической — в зависимости от величины ираспределения начального углового момента. С этими свойствами — почтисферической формой, отсутствием газа и большим количеством звезд,образовавшихся вблизи начала его существования, объект явно будет эллиптическойгалактикой (см. рис.).

В третьемслучае, когда ни вращательный, ни конденсационный предел не являются достаточнобольшими, чтобы остановить сжатие, облако все уменьшается и уменьшается, покане образуется сверхмассивный звездообразный объект. Возможно, это будет чернаядыра — невидимая и почти необнаружимая.

Послеобретения галактикой формы следующие стадии эволюции являются медленными игораздо менее эффектными. Звезды образуются, умирают и выбрасывают богатоетяжелыми элементами вещество, образующее новые звезды, галактика постепеннотускнеет и краснеет, химический состав ее звездного населения медленно меняетсяпо мере обогащения газа и пыли, из которых образуются последующие поколениязвезд, тяжелыми элементами.

Мы не можемувидеть, как галактика меняется. Человеческая жизнь по меньшей мере в миллионраз короче, чем надо для этого. Но мы можем наблюдать эволюционные эффекты,глядя пазад на все более ранние стадии эволюции нашей Вселенной, когдагалактики оказываются более молодыми. Самые далекие наблюдаемые нами нормальныегалактики мы наблюдаем более молодыми, чем наших соседей. Свету от галактики нарасстоянии 10 миллиардов световых лет, например, потребовалось 10 миллиардовлет, чтобы достичь нас, и, таким образом, мы наблюдаем и измеряем изображениегалактики, которая на 10 миллиардов лет моложе нашей. Если возраст Вселеннойсоставляет от 15 до 20 миллиардов лет (точное значение еще с уверенностью неустановлено), то возраст наблюдаемой галактики составляет всего одну третьвозраста галактик вблизи нас, свет от которых доходит до нас быстрее.Разумеется, это соображение опирается на веру в одновременное сжатие иобразование всех галактик вскоре после Большого Взрыва, что подтверждаетсяисследованиями близких галактик и предсказывается космологическими моделями.

Для того,чтобы увидеть эволюцию галактик, нужно смотреть все дальше и дальше. Расстояниев первые два миллиарда световых лет слишком мало, чтобы обнаружить изменения,но более далекие галактики демонстрируют реальные различия, особенно заметные вих цветах. Недавно при расстоянии около 10 млрд световых лет действительнообнаружено настоящее влияние эволюции на цвета галактик. Используя специальныедетекторы на 200-дюймовом Паломарском телескопе, астрономы пронаблюдалигалактики 23-й и 24-й величины с достаточной точностью, чтобы увидеть, каквыглядят молодые галактики. В значительной степени, как это предсказываюттеоретические модели, галактики в то время были более яркими и голубыми.

РасчетыБеатрис Тинсли, которая посвятила большую часть своей короткой, но творческойжизни изучению эволюции галактик, помогли астрономам понять детали этихвозрастных эффектов. Из моделей, созданных Тинсли с сотрудниками, нам известно,что скорость падения яркости и изменения цвета зависит от многих обстоятельств:распределения звезд по массам, скорости регенерации вещества в звездах, долизвезд, образованных при начальной вспышке и многих других. В настоящее времянаблюдаемые далекие галактики начинают снабжать нас этими подробностями. Этопоразительно — иметь возможность узнавать о событиях, происходящих напротяжении миллиардов лет. Мы делаем это, переводя часы на миллиарды лет назад,глядя на объекты на расстояниях в миллиарды световых лет.

Другимзаметным отличием молодых галактик в далеких частях Вселенной от галактик,подобных современным, является наличие в прошлом значительно большего числаактивных или взрывающихся галактик. Плотность квазаров и радиогалактиквозрастает по мере того, как мы смотрим все дальше и дальше. Поэтому этиобъекты должны были быть гораздо более распространены в раннюю эпохусуществования Вселенной. Современные теоретические модели предполагают, что ониобразуются при коллапсе сверхмассивных объектов — возможно, черных дыр — вцентрах галактик. Черные дыры довольно безопасны, если в них нечего«бросить», но приводят в действие бурные энергетические процессы,если к их гравитационному полю слишком близко подходят звезды или газ.

Возможно,молодые галактики, все еще богатые непереработанным газом, были большепредрасположены к подаче этого газа в центральные ядра, чем это делают сейчасстарые галактики. Если там притаились черные дыры, то эти галактики скореевспыхнут, как квазары или радиогалактики. Теперь, по-видимому, подобнаяисключительно бурная активность по большей части прекратилась.

5. Масса галактик

Нетак много лет назад одной из наиболее надежных областей внегалактическойастрономии было определение масс галактик. Для этой цели были разработаныхорошие методы, собраны данные обширных измерений и мы имели значения масс,которым все доверяли. Несколько вызывающих беспокойство проблем возникло в 60-егоды, особенно в связи с массами, полученными по данным измерений скоростейгалактик в скоплениях, которые казались слишком большими. Но в общем былочувство, что такие простые задачи, как определение массы Млечного Пути илигалактики в Андромеде, решены.

Однакок 1980 г. произошел удивительный поворот, оставивший нас сейчас в состоянииполного недоумения в вопросе о массах галактик. По-видимому, ни один изполученных в прошлом ответов не верен по причине совершенно неожиданного и дотех пор не осознававшегося затруднения. Перед тем, как броситься с головой вэту загадку, сделаем обзор основных методов, использовавшихся астрономами вэтих сложных исследованиях.

Нетрудно оценитьобщую массу галактики, используя очень простые предположения и опираясь налегко измеряемые величины. Например, масса нашей Галактики может быть оцененапо ее известному радиусу и числу звезд вблизи Солнца. Все строится напростых, но не очень точных предположениях о том, что мы живем в области стипичной звездной плотностью и по форме наша Галактика близка к сфере. Еслисосчитать звезды в окрестности Солнца и добавить сюда массу газа и пыли, тополучится плотность около 3/100 солнечной массы на кубический световой год.Радиус Галактики около 15 тысяч световых лет, так что в предположениисферической формы объем составляет около 13 триллионов кубических световых лет.Общая масса, заключенная в сфере, равна произведению объема на плотность, итаким образом наше приближение дает величину 400 миллиардов масс Солнца. Этотрезультат удивительно близок к значениям, получаемым более точными методами. Насамом деле плотность звезд в нашей Галактике сильно меняется от места к местуи, разумеется, звезды не распределены равномерно внутри сферы. Тем не менеепростой подсчет отдельных звезд вблизи нас и обобщение локальной плотности даютхорошее первое приближение и наглядное представление об огромности массы нашейГалактики.

Гораздо лучшимметодом определения массы галактики является метод, основанный на измерении скоростивращения галактики. Метод ненамного сложнее определения массы Солнца поскоростям орбитального движения планет. Если бы Солнце было массивнее, чемсейчас, то Земле пришлось бы быстрее двигаться вокруг него по орбите, иначе онаупала бы на Солнце. Менее массивное Солнце с меньшей силой гравитационногопритяжения означало бы необходимость более медленного движения Земли, впротивном случае она улетела бы далеко в космическое пространство. Таким образом,скорость движения Земли по орбите в точности соответствует значению дляустойчивой орбиты вокруг звезды с массой в одну солнечную.

Точно так жеСолнце и другие звезды движутся по орбитам вокруг центра нашей Галактики соскоростями, определяемыми ее массой. Если измерить скорость и определить размерорбиты, то можно вычислить массу, управляющую орбитой. Однако имеется однозатруднение. В Солнечной системе почти вся масса сосредоточена в Солнце — вцентре системы, в то время как в галактике звезды распределены таким образом,что на болыпииство из них действует значительная сила притяжения со сторонымассы, расположенной вне (в противоположность той, что находится внутри) ихорбит. Это значит, что общую массу галактики можно определить лишь по скоростямзвезд во внешних частях, для которых вся галактика находится внутри орбитызвезды. Астроном должен определить скорости звезд или другого вещества (обычноэто возбужденный газ, так как его скорость легче всего измерить) на всемпротяжении от центра до края в поисках точки, где значения скоростей становятсяпохожими на те, что соответствуют только внутренней массе. Это называетсякеплеровской частью кривой, так как именно Кеплер нашел связь между скоростямипланет и расстояниями их до Солнца — открытие, приведшее Ньютона к открытиюзакона тяготения. Внутри кеплеровской части кривой скорости звезд увеличиваютсяпо мере удаления от центра (см. рис.). Потом скорость выходит на постоянныйуровень, после чего кривая вращения начинает падать. За точкой поворота всескорости кеплеровские и они должны дать величину массы галактики. Для большейточности астрономы подгоняют под весь набор скоростей, измеряемых при различныхположениях, разные модели распределения массы в галактике, узнавая такимобразом кое-что об этом распределении, а также значение общей массы.

В 60-е годыэти исследования велись весьма интенсивно. Астрономы определили массы многихгалактик и нашли зависимость между светимостью галактики и ее массой и междухаббловским типом и массой. Обычно галактики типов Sa и Sb имели большие массына единицу светимости, чем галактики других типов, то есть их звезды в среднемменее яркие, чем звезды в галактиках типа Sc и Irr. Для всех типов быловпечатление, будто кривая вращения загибается вниз вблизи границы наблюдаемойобласти. Казалось, природа так построила галактики, чтобы мы как раз моглиувидеть на самых внешних их звездах начало кеплеровского движения. Кривыехорошо согласовывались с моделями распределения массы, и распределение веществав галактиках выглядело весьма разумным.

Другой методопределения масс галактик может быть применен к тем из них, что являютсячленами двойных систем. Две обращающиеся вокруг друг друга галактики должныподчиняться закону тяготения Ньютона, утверждающего зависимость размеров орбит искоростей от масс галактик. Наблюдая всего одну двойную галактику, нельзянадеяться использовать этот факт, так как орбитальные периоды составляютмиллионы и миллиарды лет — это слишком долго, чтобы ждать. К тому же галактикивидны лишь с одного направления, так что нельзя определить угол наклона орбитык лучу зрения. Но эти трудности преодолимы, если мы наблюдаем много двойныхгалактик и определяем их параметры статистически. Хотя мы не можем проследитьни одну данную пару на протяжении всей орбиты, можно пронаблюдать достаточномного двойных галактик, чтобы получить их средние массы.

/>Чтобыучесть очень большое различие размеров двух галактик при наблюдении двойнойсистемы, астрономы вместо индивидуальных масс вычисляют средние значенияотношений массы к светимости. Это позволяет компенсировать то обстоятельство,что более яркая галактика будет также и более массивной. Например, для двойнойгалактики, состоящей из эллиптической галактики очень высокой светимости инебольшой эллиптической галактики, можно принять одинаковые значения отношениймассы к светимости, но их движение не будет одинаковым. Меньшая галактика будетдвигаться вокруг общего центра масс быстро, а большая — медленно. Оценкасредней массы будет примерно посередине и не будет характеризовать ни одну изгалактик, но вычисленные для всей системы отношения массы к светимости позволятастроному определить индивидуальные массы каждой из галактик. На практике этоследует проделать для многих пар эллиптических галактик — для учета разныхуглов наклона и форм орбит.

Результатыисследования пар галактик разных типов удивительны. Вместо того, чтобы получитьотношения массы к светимости от 1 до 10 (это диапазон значений для отдельныхгалактик, исследованных при помощи упомянутых выше методов), астрономы получилигораздо большие величины. Типичное значение для пар эллиптических галактикоколо 75, а пары спиральных галактик попадают в интервал от 20 до 40. Этизначения поставили получивших их людей в тупик и настолько отличались отожидаемых, что были предприняты значительные усилия, чтобы установить, какимобразом результаты могли исказиться. Может быть, в чем-то предположения былиневерными? Возможно, галактики в парах по какой-то причине эволюционногохарактера существенно массивнее (для своей светимости), чем уединенныегалактики. Или, быть может, статистический подход оказался в чем-то порочен?Из-за этих сомнений астрономы старались относиться к результатам, полученным подвойным галактикам, с осторожностью. Этого не следовало делать, а надо было перенестисвои подозрения на более традиционные методы. Как будет видно из следующихразделов, имеющиеся данные говорят о том, что двойные галактики дают лучшиерезультаты, чем мы думали.

Галактикиобычно существуют в группах: они объединяются. Некоторые, вроде МлечногоПути, принадлежат к небольшим организациям наподобие Местной группы, в то времякак другие являются членами огромных скоплений, содержащих тысячи галактик. Вовсех случаях это обстоятельство дает нам в руки еще один метод определения массгалактик. В скоплении каждая галактика движется в соответствии с силойпритяжения со стороны других объектов. Насколько быстро они в среднем движутся,зависит от среднего расстояния между ними и от их масс. Ситуация аналогичнаситуации с дисперсией скоростей звезд в галактике, но теперь мы рассматриваемдвижение отдельных галактик в скоплении. Если предположить, что скоплениягалактик устойчивы, то есть не охлопываются и не разлетаются, то движениеотдельных членов и расстояния между ними должны дать оценку их масс.

Проблема сэтим методом в том. что он тоже, как казалось. давал неправильный ответ. Когдав начале 60-х годов таким образом впервые были определены отношения массы ксветимости, результаты оказались поразительными. Вместо значений около 1 — 10были получены величины, равные сотням и даже тысячам. Как же этот метод можетбыть неправильным? Предложенные многочисленные гипотезы включали возможностьрасширения скоплений, их сжатия, возможность, что они состоят из аномальномассивных галактик, что в скоплениях много двойных галактик (что ведет кбольшим значениям измеренных скоростей) или что между галактиками в скопленияхмного межгалактического вещества — достаточно, чтобы затмить гравитационноеполе самих галактик. Сейчас мы с большим доверием смотрим на результаты,полученные по скоплениям, чем сначала. Нет сомнения, что все перечисленныефакторы играют некоторую роль, но главное объяснение совершенно иное. Галактикивсе время скрывали от нас ужасную тайну: они полны загадочным "темнымвеществом".

Знание приходитк нам разными путями, но самый волнующий известен под названием«прорыв». Он происходит после того. как ученые на некоторое время какбы «застревают» и понимают, что чего-то не хватает: какой-то важныйфрагмент знания на пороге, но ускользает и остается не найденным. Исследованиемасс галактик прошло через подобную фазу, когда большинство астрономовчувствовало, что что-то в этой области науки не так, что какой-то важный фактускользнул. Результаты измерений масс различными способами не согласовывались,и особенно острой была проблема для скоплений галактик. Эта область наукиопределенно нуждалась в прорыве.

/>Первымпризнаком надвигающегося прорыва было недавнее исследование нейтральноговодорода в M31. Когда был обнаружен и измерен газ на очень большом расстоянииот ядра, кривая вращения отказалась загнуться вниз и стать кеплеровской (см. рис.).Далеко за тем местом, где согласно оптическим данным был достигнут загибкривой, новые результаты для нейтрального водорода свидетельствовали о том, чтоскорость остается почти постоянной. Это возможно, только если большие массынаходятся в далеких областях какого-то невидимого гало вокруг M31 далеко запределами видимых частей галактики. Были приняты во внимание все возможные типыобъектов, которые могли объяснить эту массу. Предполагалось, что это могут бытьочень тусклые красные звезды или газ, ионизованный таким образом, что егонельзя наблюдать как нейтральный водород. Но эти простые гипотезы, так же как идругие, включавшие все известные объекты, были опровергнуты разного родаточными наблюдениями. Масса не могла быть ничем простым.

Тем временемпоявились другие данные, свидетельствовавшие о распространенности подобныхмассивных гало из невидимого вещества у галактик. Более изощренныетеоретические модели требовали наличия очень массивных гало для сохраненияустойчивости наблюдаемой плоской части спиральных галактик. Утверждалось, чтоплоский компонент галактики разрушится, если не будет удерживатьсяпреобладающим тяготением окружающей массы.

При наблюдениидругих галактик помимо M31. Включая нашу собственную, стали обнаруживать, чтокажущийся загиб кривой вращения был во многих случаях просто небольшойфлуктуацией. К 80-м годам создалось впечатление, что нет галактик, массакоторых заключена в видимом диске. Теперь обнаружено несколько галактик,демонстрирующих во внешних частях кеплеровскую кривую, но в большинстве случаевэто не так. Большая часть оптических и радиокривых, по-видимому, сохраняетпостоянную скорость вплоть до самой далекой доступной наблюдениям точки — дажепри использовании для регистрации наиболее слабого излучения самого мощногосовременного оборудования. Редко большая часть вещества в галактикахрасполагается в пределах видимых изображений. Наоборот, основная часть массыгалактики расположена за теми пределами, где, как нам кажется, она кончается.

Если угалактик действительно есть темные гало. то обсуждавшиеся выше противоречияможно понять. Метод кривой вращения дает лишь массу внутри пределов,ограниченных самой внешней из точек, где проводились измерения, а методдисперсии скоростей говорит нам только об отношении массы к светимости вцентре, делая необходимой экстраполяцию на внешние области с использованиемраспределения яркости для определения полной массы. Ни один из этих методов неможет обнаружить массивные невидимые гало. Но они обнаруживаются методомдвойных галактик, так как галактики обращаются одна вокруг другой по орбитам,которые расположены в основном или полностью вне массивных гало отдельныхчленов. Аналогично метод скоплений тоже должен быть индикатором общей массыгалактик.

В новом ходеразвития событий прискорбно то, что если новые большие измеренные значения массправильны, то при современных астрономических исследованиях большая частьВселенной не наблюдается. Большая часть вещества в космосе заключена в какой-тонеизвестной форме в массивных гало галактик и то, что мы наблюдаем какгалактики, — всего лишь вершины очень больших айсбергов. Грандиозные спиральныегалактики являются лишь скелетами огромных таинственных призраков, природакоторых все еще остается неизвестной.

/>Дляобъяснения невидимого вещества в гало галактик было предложено много типовобъектов. Когда физики впервые предположили, что у крошечной частицы подназванием нейтрино может быть небольшая масса (до этого считалось, что массапокоя частицы равна нулю), кто-то тут же сказал, что гало могут состоять изнейтрино. При появлении сообщения об открытии физиками монополя (отдельногоизолированного магнитного полюса) с ничтожно малой массой, кто-то сразу предположил,что гало могут состоять из монополей. При появлении других возможностей всегда,казалось, была надежда объяснить состав гало галактик, К сожалению, сейчаспохоже, что нейтрино вообще не имеет массы, а единственный обнаруженныймонополь мог быть ошибкой эксперимента, так что, вероятно, ни один из этихобъектов не решит нашу проблему. Мы остались с весьма небольшим спискомневероятных объектов, ни один из которых, похоже, нам не подходит. В этомсписке есть все объекты, которые только можно придумать, имеющие массу и приэтом невидимые в галактиках. Например, планеты вроде Земли, не сопровождаемыесветящейся звездой, будут иметь массу и излучать при этом слишком мало света,чтобы быть обнаруженными. Подойдут также и более мелкие объекты — каменныеглыбы или мелкие камешки. Проблема с подобными объектами в том, что никто неможет придумать способ их производства в достаточном количестве. Можно довольноуверенно утверждать, что планета не может образоваться, если поблизости нетзвезды, и то же верно для каменных глыб. Единственные достойные рассмотренияобъекты — это черные дыры, массивные и ничего не излучающие, которые каким-тообразом могут образовываться во внешних частях протогалактик. Но что бы это нибыло — черные дыры, каменные глыбы или экзотические субатомные частицы — возможность того, что большая часть Вселенной от нас скрыта, вызываетозабоченность. Мы живем в обширном и подавляюще темном космическом облаке, лишькое-где освещенном свечами.

6. Строение нашей Галактики

Важнейшейособенностью небесных тел является их свойство объединяться в системы. Земля иеё спутник Луна образуют систему из двух тел. Так как размеры Луны не так ужмалы в сравнении с размерами Земли, то некоторые астрономы склоннырассматривать Землю и Луну как двойную систему Юпитер и Сатурн со своимиспутниками — примеры более богатых систем. Солнце, девять планет с ихспутниками, множество малых планет, комет и метеоров образуют систему болеевысокого порядка - Солнечную систему. Не образуют ли систем и звезды?

Первоесистематическое исследование этого вопроса выполнил во второйполовине 18 века английский астроном Вильям Гершель. Он производил в разныхобластях неба подсчеты звёзд, наблюдаемых в поле зрения его телескопа.Оказалось, что на небе можно наметить большой круг, рассекающий все небо на двечасти и обладающий тем свойством, что при приближении к нему с любой сторонычисло звезд, видимых в поле зрения телескопа, неуклонно возрастает и на самомкруге становится небольшим. Как раз вдоль этого круга, получившего названиегалактического экватора, стелется Млечный Путь, опоясывающая небо чутьсветящаяся полоса, образованная сиянием неярких далёких звезд. Гершельправильно объяснил обнаруженное им явление тем, что наблюдаемые нами звездыобразуют гигантскую звездную систему, которая сплюснута к галактическомуэкватору.

И все же, хотявслед за Гершелем исследованием строения нашей звездной системы — Галактикизанимались известные астрономы — В. Струве, Каптейн и другие. Самопредставление о существовании Галактики как обособленной звездной системыявлялось до тех пор, пока не были обнаружены объекты, находящиеся внеГалактики. Это произошло только в 20 годы нашего века, когда выяснилось, чтоспиралеобразные и некоторые другие туманности являются гигантскими звездными системами,находящимися на огромных расстояниях от нас и сравнимыми по строению и размерамс нашей Галактикой.

Выяснилось,что существует множество других звездных систем — галактик, весьмаразнообразных по форме и по составу, причем среди них имеются галактики, оченьпохожие на нашу. Это обстоятельство оказалось очень важным. Наше положениевнутри Галактики, с одной стороны, облегчает её исследование, а с другой — затрудняет, так как для изучения строения системы выгоднее её рассматривать неизнутри, а со стороны.

ФормаГалактикинапоминает круглый сильно сжатый диск. Как и диск, Галактика имеет плоскостьсимметрии, разделяющую её на две равные части и ось симметрии, проходящую черезцентр системы и перпендикулярную к плоскостям симметрии. Но у всякого дискаесть точно обрисованная поверхность — граница. У нашей звездной системы такойчётко очерченной границы нет, также как нет чёткой верхней границы у атмосферыЗемли. В Галактике звёзды располагаются тем теснее, чем ближе данное место кплоскости симметрии Галактики и чем />ближе оно к еёплоскости симметрии. Наибольшая звёздная плотность в самом центре Галактики.Здесь на каждый кубический парсек приходится несколько тысяч звёзд, т.е. вцентральных областях Галактики (в балдже) звёздная плотность во много разбольше, чем в окрестностях Солнца. При удалении от плоскости и оси симметриизвёздная плотность убывает, при чём при удалении от плоскости симметрии онаубывает значительно быстрее. По этому если бы мы условились считать границейГалактики те места, где звёздная плотность уже очень мала и составляет однузвезду на 100 пс, то очерченное этой границей тело было бы сильно сжатымкруглым диском. Если границей считать область, где звёздная плотность ещёменьше и составляет одну звезду на 10 000 пс, то снова очерченной границей телобудет диском примерно той же формы, но только больших размеров. По этому нельзявполне определённо говорить о размерах Галактики. Если всё-таки границами нашейзвёздной системы считать места, где одна звезда приходится на 1 000 пс пространства,то диаметр Галактики приблизительно равен 30 000 пс, а её толщена 2 500 пс.Таким образом, Галактика — действительно сильно сжатая система: её диаметр — в12 раз больше толщины.

Количествозвёзд в Галактике огромно. По современным данным оно превосходит стомиллиардов, т.е. примерно в 25 раз превосходит число жителей нашей планеты.

Существованиегаза в пространстве между звёздами впервые было обнаружено по присутствию вспектрах звёзд линий поглощения, вызываемых межзвёздным кальцием и межзвёзднымнатрием. Эти кальций и натрий заполняют всё пространство между наблюдателем извездой и со звездой непосредственно не связаны.

После кальцияи натрия было установлено присутствие кислорода, калия, титана и другихэлементов, а также некоторых молекулярных соединений: циана, углеводорода и др.

Плотность межзвёздногогаза можно определить по интенсивности его линий. Как и следовало ожидать,она оказалось очень малой. Плотность межзвёздного натрия, например, близплоскости Галактики, где он наиболее плотен, соответствует одному атому на 10000 см пространства. Долгое время не удавалось обнаружить межзвёздный водород,хотя в звёздах он самый обильный газ. Это объясняется особенностями физическогостроения атома водорода и характером поля излучения Галактики. Близ плоскостиГалактики один атом водорода приходится на 2-3 см3 пространства. Этозначит, что плоскость всей газовой материи около плоскости Галактики составляет5-8 * 1025 см3, масса газа и других элементов ничтожномала.

Распределёнмежзвёздный газ неравномерно, местами образуя облака с плотностью в десятки развыше средней, а местами создавая разряжения. При удалении от плоскостиГалактики средняя плотность межзвёздного газа быстро падает. Общая его масса вГалактике составляет 0,01-0,02 общей массы всех звёзд.

Звёзды — горячие гиганты, излучающие большое количество ультрафиолетовых квантов,ионизируют вокруг себя межзвёздный водород в значительной области. Размерзоны ионизации в очень большой степени зависит от температуры и светимостизвезды. Вне зон ионизации почти весь водород находится в нейтральномсостоянии.

Таким образом,все пространство Галактики можно разделить на зоны ионизированного водорода игде водорода неионизирован. Датский астроном Стремгрен теоретически показал,что постепенного перехода от области, где водород практически весьионизирован, к области, где он нейтрален, нет.

В настоящее время разработанметод определения закона вращения всей массы нейтрального водорода Галактики посовокупности профилей его эмиссионной линии 21 см. Можно полагать, чтонейтральный водород в Галактике вращается так же или почти так же, как и самаГалактика. Тогда становится известным и закон вращения Галактики.

Этот метод внастоящее время дает наиболее надежные данные о законе вращения нашей звезднойсистемы, т.е. данные о том, как изменяется угловая скорость вращения системы помере удаления от центра Галактики к её окраинным областям.

Дляцентральных областей угловую скорость вращения пока определить не удается. Каквидно, угловая скорость вращения Галактики убывает по мере удаления её отцентра сначала быстро, а затем медленнее. На расстоянии 8 кпс. от центра угловая скорость равна 0, 0061 в год. Это соответствует периоду обращения 212млн. лет. В районе Солнца (10 кпс. от центра Галактики) угловая скорость равна0, 0047 в год, причем период обращения 275 млн. лет. Обычно именно этувеличину- период обращения Солнца вместе с окрестными звездами около центранашей звездной системы- считают периодом вращения Галактики и называют галактическимгодом. Но нужно понимать, что общего периода для Галактики нет, она вращаетсяне как твердое тело. В районе Солнца скорость равна 220 км/с. Это значит, чтов своём движении вокруг центра Галактики Солнце и окрестные звёзды пролетают всекунду 220 км.

Периодвращения Галактики в районе Солнца равен приблизительно 275 млн. лет, аобласти, расположенные от центра Галактики дальше Солнца, совершают оборотмедленнее: период вращения растет на 1 млн. лет при увеличении расстояния отцентра Галактики приблизительно на 30 пс.

Кроме газа впространстве между звездами имеются пылинки. Размеры их очень малы ирасполагаются они на значительных расстояниях друг от друга; среднее расстояниемежду пылинками- соседями составляет около ста метров. Поэтому средняя плотностьпылевой материи Галактики примерно в 100 раз меньше общей массы газа и в 5000-10 000 раз меньше общей массы всех звезд. Поэтому динамическая роль пыли вГалактике весьма незначительна. В Галактике пылевая материя сильнее поглощаетголубые и синие лучи, чем желтые и красные.

В некотором отношении туман, вкоторый погружена Галактика, существенно отличается от тумана, который мынаблюдаем на Земле. Отличие состоит в том, что вся масса пылевой материи имееткрайне неоднородную структуру. Она не распределена гладким слоем, а собрана вотдельные облака различной формы и размеров. Поэтому поглощение света вГалактике носит пятнистый характер.

Пылевая игазовая материи в Галактике обычно перемешаны, но пропорции их в различныхместах различны. Встречаются газовые облака, в которых пыль преобладает. Дляобозначения рассеянной в Галактике материи газа, пыли и смеси газа и пыли-употребляется общий термин « диффузная материя» .

ФормаГалактики несколько отличается от диска тем, что в центральной части её имеетсяутолщение, ядро. Это ядро, хотя в нём сосредоточено большое число звёзд,долгое время не удавалось наблюдать, потому, что около плоскости симметрииГалактики наряду со светящейся материей звёзд имеются огромные темные облакапыли, поглощающие свет летящих за ними звёзд. Между Солнцем и центром Галактикирасположено большое количество таких темных пылевых облаков различной формы итолщины, и они закрывают от нас ядро Галактики. Однако разглядеть ядроГалактики все-таки удалось.

/>В1947 году американские астрономы Стеббинс и Уитфорд использовали совместно стелескопом фотоэлемент, чувствительный к инфракрасным лучам, и сумелиобрисовать контуры ядра Галактики. В 1951 году советские астрономыВ.И.Красовский и В.Б.Никонов получили фотографии ядра Галактики в инфракрасныхлучах. Ядро Галактики оказалось не очень большим, его диаметр составлял около1300пс. Но все-таки присутствие ядра в центральной области Галактики утолщаетэту область, форму Галактики теперь можно сравнивать не просто с диском, а сдискообразным колесом, имеющим в центральной части утолщение — втулку.

Центр ядраГалактики — это центр всей нашей звездной системы. Материя в центре Галактикиимеет высокую температуру и находится в состоянии бурного движения.

Внутри огромной звёздной системы — Галактики многие звёзды объединены в системы меньшей численности. Каждая изэтих систем может рассматриваться как коллективный член Галактики.

7. Состав нашей Галактики

Самыемаленькие коллективные члены Галактики — это двойные и кратные звёзды.Так называются группы из двух, трех, четырех и более звезд, в которых звёздыудерживаются близко друг к другу благодаря взаимному притяжению согласно законувсемирного тяготения. В двойных и кратных звёздах таких огромных тел – звёзд (солнц)два или несколько. Они притягивают друг друга, удерживают друг друга и,возможно, другие тела меньших масс внутри сравнительного небольшого объёма.

Расстояние,разделяющее компоненты двойных звезд, могут быть весьма различны. У тесныхдвойных они так близки друг друга, что происходят сложные физические процессывзаимодействия, связанные с явлениями приливов.

В широкихпарах расстояние между компонентами составляет десятки тысяч астрономическихединиц, периоды обращений столь велики, что измеряются тысячелетиями иорбитальное движение при наблюдениях не удаётся обнаружить. Связуемостькомпонентов в таких системах определяют по их относительной близости на небе ипо общности собственного движения.

Среди30 ближайших к нам звёзд 13 входят в состав двойных и тройных систем. Измерениескорости движения звёзд по их орбитам позволило оценить массу звёзд, входящихв двойные системы. Оказалось, что и в этом отношении звёзды различны. Некоторыеиз них по массе уступают Солнцу, а другие превосходят его. При этом для всехзвезд, в том числе и для Солнца, выполняется условие — чем больше светимостьзвезды, тем больше и её масса. Вдвое большей массе соответствуют приблизительновдесятеро большая светимость, так что различие в светимостях у звезд гораздобольшее, чем различие в массах.

/> Двойные икратные звёзды часто состоят из звёзд различных типов, например, звезда белыйгигант может комбинироваться с красным карликом, или желтая звезда среднейсветимости- с красным гигантом.

Более крупными коллективнымичленами Галактики, чем двойные и кратные звёзды, являются рассеянные звёздныескопления. Эти скопления содержат от нескольких десятков до нескольких сотензвёзд, самые крупные — до двух тысяч звёзд. Термин «рассеянное» скоплениевызван тем, что сравнительно небольшая численность звезд в таких скоплениях непозволяет уверенно очертить форму скопления.

У рассеянныхскоплений характерный состав. В них редко встречаются красные и желтые гигантыи совершенно нет красных и желтых сверхгигантов. В то же время белые и голубыегиганты — непременные члены рассеянных скоплений. Здесь чаще, чем в другихместах Галактики, можно встретить и очень редкие звезды — белые и голубыесверхгиганты, т.е. звёзды высокой температуры и чрезвычайно высокой светимости,излучающие, каждая в сотни тысяч и даже миллионы раз больше, чем наше Солнце.

Рассеянныескопления располагаются очень близко к плоскости симметрии Галактики.Большинство из них лежит почти точно в этой плоскости. Число занесённых вкаталоги рассеянных звёздных скоплений превышает в настоящее время тысячи.Далекие рассеянные скопления неразличимы, они недостаточно для этого богатызвёздами. Но при помощи телескопов можно отличить относительно близкиерассеянные скопления. Поэтому число имеющихся рассеянных скоплений в Галактике насамом деле на много больше тысячи и оценивается приблизительно в 30 тысяч. Еслисреднее число звёзд в одном рассеянном скоплении составляет 300 или несколькобольше, то общее число звезд, входящих во все рассеянные скопления Галактики,равно приблизительно десяти миллионам.

Ещё болеекрупными коллективными членами Галактики являются шаровые звёздные скопления.Это очень богатые звёздные скопления, насчитывающие сотни тысяч, иногда свышемиллиона звёзд.

В центральныхобластях шарового скопления звёзды расположены очень тесно друг к другу. Из-заэтого их изображения сливаются и определенные звёзды различить нельзя. Это незначит, что звёзды соприкасаются друг с другом. На самом деле даже вцентральных областях шаровых скоплений расстояния между звёздами огромны посравнению с размерами самих звёзд.

Состав шаровыхскоплений существенно отличается от состава рассеянных скоплений. В шаровыхскоплениях очень много звёзд красных и желтых гигантов, много красных и желтыхсверхгигантов, но очень мало бело-голубых звёзд гигантов и совершенноотсутствуют бело–голубые сверхгиганты.

Шаровыескопления — это плотные системы. Состоящие из большого числа звёзд, поэтому онирезко выделяются среди других объектов Галактики. К настоящему времени открыто132 шаровых скопления, входящих в состав нашей Галактики. Предполагается, чтобудет открыто ещё некоторое их количество.

Всясовокупность шаровых скоплений образует как бы сферическую систему окружающуюГалактику и в то же время проникающую в Галактику.

В следствиитого, что шаровые скопления располагаются симметрично по отношению к центруГалактики, а Солнце находится далеко от него, почти все шаровые скоплениядолжны наблюдаться в одной половине неба, в той, в которой находитсягалактический центр.

Если в каждомиз известных шаровых скоплений в среднем имеется немного менее миллиона звёзд,то общее число звёзд в шаровых скоплениях составит около 100 миллионов. Этотолько одна тысячная доля всех звёзд Галактики.

Имеется ещёодин тип членов Галактики — так называемые звёздные ассоциации. Они былиоткрыты академиком В.А.Амбарцумяном, который обнаружил, что наиболее горячиезвёзды-гиганты, расположены на небе как бы отдельными гнёздами. Обычно в такомгнезде два-три десятка звёзд — горячих гигантов спектральных классов.Ассоциация занимает большой объем, размером в несколько десятков или сотенпарсек, в который обычно порядком, как и в другие места Галактики, входят вбольшом количестве звезды-карлики и звёзды средней светимости.

Звёзды горячиегиганты движутся со скоростью 5-10 км/с, и им требуется всего несколько сотентысяч лет или, самое большее, несколько миллионов лет, чтобы уйти изассоциации. Поэтому факт существования горячих гигантов в звёздных ассоциацияхуказывает на то, что эти звёзды недавно сформировались в ассоциациях и неуспели ещё из них уйти.

Именнооткрытие звёздных ассоциаций привело к утверждению, что наряду со старымизвёздами, есть и молодые и очень молодые звёзды, что звёздообразование вГалактике было длительным процессом и продолжается в наши дни.

По расположениюв Галактике все звёзды и все другие объекты можно разделить на три группы.

Объекты первойгруппы сосредоточены в галактической плоскости, т.е. образуют плоские подсистемы.К этим объектам относятся звёзды горячие сверхгиганты и гиганты, пылевая материя,газовые облака и рассеянные звёздные скопления. Характерно, что в составрассеянных скоплений в основном входят именно те объекты, которые сами по себетоже образуют плоские подсистемы.

Вторую группуобразуют объекты, располагающиеся одинаково часто у плоскости симметрииГалактики и на значительном расстоянии от неё. Они образуют сферическиеподсистемы. В числе таких объектов желтые и красные субкарлики, желтые икрасные гиганты, шаровые скопления.

Третью группусоставляют промежуточные подсистемы. В них объекты сосредоточены у плоскостиГалактики, но не так сильно, как у плоских подсистем. Промежуточные подсистемысоставляют красные и желтые звёзды-гиганты, желтые и красные звёзды-карлики, атакже особые переменные звёзды, называемые звёздами типа Мира Кита, оченьсильно и неправильным образом изменяющие свой блеск.

Оказалось, чтообъекты различных подсистем отличаются друг от друга не только расположением вГалактике, но и своими скоростями. Объекты сферических подсистем имеютнаибольшую скорость движения в направлении. Перпендикулярном к плоскостиГалактики, а у объектов плоских подсистем эта скорость наименьшая.

Удалось такжеустановить, что объекты различных подсистем отличаются и химическим составом:звёзды плоских подсистем богаче металлами, чем звёзды сферических подсистем.

Открытиесуществования объектов различных подсистем в Галактике имеет большое значение.Оно показывает, что звёзды разных типов формировались в разных местах Галактики и при различных условиях.

Из ядра должнывыходить спиральные ветви. Эти ветви, огибая ядро постепенно расширяясьи разветвляясь теряют яркость, и на некотором расстоянии их след пропадает.

Спиральныеветви других Галактик состоят из звёзд — горячих гигантов и сверхгигантов, атакже из пыли и газа — водорода.

Чтобыобнаружить спиральные ветви нашей Галактики, нужно проследить расположение вней звёзд — горячих гигантов, а так же пыли и газа. Эта задача оказалась оченьсложной из-за того, что спиральную структуру нашей Галактики мы наблюдаемизнутри и различные части спиральных ветвей проецируются друг на друга.

Надежды подаетизлучение нейтрального водорода по длине волны 21 см. В двух небольших спектрах,направленных на центр и антицентр Галактики. Однако исследования пока провестине удаётся и поэтому картина не полная. Хотя уже начинает намечатьсярасположение спиральных ветвей потому, что водород обычно соседствует созвёздами — горячими гигантами, определяющими форму спиральных ветвей.

Местауплотнения водорода должны повторять рисунок спиральной структуры Галактики.

Большоепреимущество использования излучения нейтрального водорода состоит в том, чтооно длинноволновое, находится в радиодиапазоне и для него межзвёздная материяпрактически совершенно прозрачна. 21-сантиметровое излучение без каких-либоискажений доходит до нас из самых далёких областей Галактики.

В безлунныеосенние вечера вдали от ярко освещенных домов и улиц, любуясь звёздным небом,можно увидеть белую полосу, протянувшуюся через все небо. Это Млечный Путь.

Согласноодному из древних мифов, Млечный Путь – это дорога с Олимпа на Землю. Согласнодругому – это пролитое Герой молоко.

Млечный Путьопоясывает небесную сферу по большому кругу. Жителям северного полушария Земли,в осенние вечера удается увидеть ту часть Млечного Пути, которая проходит черезКассиопею, Цефей, лебедь, Орел и Стрельца, а под утро появляются другиесозвездия. В южном полушарии Земли Млечный Путь простирается от Стрельца ксозвездиям Скорпион, Циркуль, Центавр, Южный Крест, Киль, Стрела.

Млечный Путь,проходящий через звездную россыпь южного полушария, удивительно красив и ярок.В созвездиях Стрельца, Скорпиона, Щита много ярко светящихся звездных облаков.Именно в этом направлении находится центр нашей Галактики. В этой же частиМлечного Пути особенно четко выделяются темные облака космической пыли- темныетуманности. Если бы не было этих темных, непрозрачных туманностей, то МлечныйПуть в направлении к центру Галактики был бы ярче в тысячу раз.

Глядя наМлечный путь, нелегко вообразить, что он состоит из множества неразличимыхневооруженным глазом звёзд. Но люди догадались об этом давно. Одну из такихдогадок приписывают ученому и философу Древней Греции — Демокриту. Он жил почтина две тысячи лет раньше, чем Галилей, который впервые доказал на основенаблюдений с помощью телескопа звездную природу Млечного Пути. В своёмзнаменитом «Звездном вестнике» в 1609 году Галилей писал: «Я обратился кнаблюдению сущности или вещества Млечного Пути, и с помощью телескопа оказалосьвозможным сделать её настолько доступной нашему зрению, что все споры умолклисами собой благодаря наглядности и очевидности, которые и меня освобождают отмногословного диспута. В самом деле Млечный Путь представляет собой не чтоиное, как бессчетное множество звёзд, как бы расположенных в кучах, в какую быобласть не направлять телескоп, сейчас же становится видимым огромное числозвёзд, из которых весьма многие достаточно ярки и вполне различимы, количествоже звёзд более слабых не допускает вообще никакого подсчета».

Какое жеотношение звёзды Млечного Пути имеют к единственной звезде Солнечной системы, кнашему Солнцу? Ответ сегодня общеизвестен. Солнце — одна из звёзд нашейГалактики, Галактики – Млечный Путь. Какое же место занимает Солнце в МлечномПути? Уже из того факта, что Млечный Путь опоясывает наше небо по большомукругу, ученые сделали вывод, что Солнце находится вблизи главной плоскостиМлечного Пути.

Чтобы получитъ более точноепредставление о положении Солнца в Млечном Пути, а затем и представить себе,какова в пространстве форма нашей Галактики, астрономы (В.Гершель, В.Я.Струве идр.) использовали метод звездных подсчетов, суть которых в том, что в различныхучастках неба подсчитывают число звёзд в последовательном интервале звёздныхвеличин. Если допустить, что светимости звёзд одинаковы, то по наблюдаемомублеску можно судить о расстояниях до звезд, далее, предполагая, что звёзды впространстве расположены равномерно, рассматривают число звёзд, оказавшихся всферических объёмах, с центром в Солнце.

На основе этихподсчетов уже в 18 веке был сделан вывод о «сплюснутости» нашей Галактики.

В состав Галактики входят неменее 150 млрд. Звёзд, подобных нашему Солнцу. В близи центральной областиГалактики звёздная плотность в миллионы раз больше, чем вблизи Солнца. Участвуяво вращении Галактики, наше Солнце мчится со скоростью более 220 км/с, совершаяодин оборот за 200-250 миллионов лет. Галактика имеет сложное строение исложный состав. Современные исследования Галактики требуют технических средств20 века, но началось исследование Галактики с пытливого вглядывания впростирающийся над нашими головами Млечный Путь.

Помимо нашейГалактики, во Вселенной существует множество других Галактик. Внешний вид ихчрезвычайно разнообразен и некоторые из них очень живописны. Для каждойГалактики, как бы ни был сложен её внешний рисунок, можно разыскать другуюГалактику, очень на неё похожую. Однако более внимательное рассмотрение всегдаобнаружит заметные различия в любой паре Галактик, а большинство Галактик оченьсильно отличаются друг от друга своим внешним видом.

8. Метагалактика

Понятие «Метагалактика»не является вполне ясным. Оно сформировалось на основании аналогии со звёздами.Наблюдения показывают, что галактики, подобно звёздам, группирующимся врассеянные и шаровые скопления, также объединяются в группы — скопленияразличной численности.

Однако длязвёзд известны объединения более высокого порядка — звёздные системы (галактики),характерные большей автономностью, т. е. Независимостью от влияния других тел,и большей замкнутостью, чем у звёздных скоплений. В частности, все звёзды,которые могут наблюдаться простым глазом в телескопы, образуют звёздную систему- нашу Галактику, насчитывающую около 100 млрд. членов. В случае галактик,аналогичные системы более высокого порядка непосредственно не наблюдаются.

Тем не менееимеются некоторые основания предполагать, что такая система, Метагалактика,существует; что она относительно автономна и является объединением галактикпримерно такого порядка, каким для звёзд нашей системы является Галактика.

Можно дажепредположить существование и других метагалактик.

Реальностьметагалактики будет доказана, если удастся как-то определить её границы ивыделить наблюдаемые объекты, не принадлежащие ей.

В связи сгипотетичностью представлений о Метагалактики как об автономной гигантскойсистеме галактик, включающей все наблюдаемые галактики, и их скопления, термин«метагалактика» стал чаще применяться для облегчения обозреваемой (при помощивсех существующих средств наблюдения) части Вселенной.

Распределениезвезд на небестал впервые изучать В. Гершель в конце 18 века. Результатом его исследований былофундаментальное открытие — явление концентрации звёзд и галактическойплоскости.

Приблизительночерез полтора столетия наступило время изучить распределение по небу галактик.Сделал это Хаббл.

Галактики поблеску в среднем значительно уступают звездам. Звёзд до 6ой видимойвеличины на всем небе несколько тысяч, а галактик — только четыре. Звёзд до 13около трех млн., а галактик около семисот. Только тогда, когда рассматриваютсяочень слабые объекты, число галактик становится большим и начинает приближатьсяк числу звёзд той же величины.

Чтобы иметьдостаточное количество подсчитываемых галактик, нужно использовать большиеинструменты способные уловить блеск слабых объектов. Но при этом возникаетдополнительная сложность, связанная с тем, что слабые галактики и слабые звёздыне так заметно отличаются друг от друга, как яркие звёзды от ярких галактик.Слабые галактики имеют очень маленькие видимые размеры и их легко при подсчётахпринять за звёзды.

Хабблиспользовал 2,5-метровый телескоп, и выполнил подсчеты галактик до 20ойвидимой звёздной величины в 1283 маленьких площадках, распределённых по всемунебу. В результате, число галактик в площадках Хаббла оказывалось тем меньше,чем ближе была расположена площадка к Млечному Пути. Около самогогалактического экватора в полосе толщиной в 20, галактики, за отдельнымиисключениями, вовсе не наблюдается. Можно сказать, что плоскость Галактикиявляется для галактики плоскостью деконцентрации, а зона у галактическогоэкватора зоной избегания.

Совершенноочевидно, что другие звёздные системы, а их миллионы, не могут располагаться впространстве по зонному, диктуемому определенной ориентировкой плоскостисимметрии нашей Галактики (которая сама является только одной из множествазвёздных систем), принципу. Хабблу было ясно, что в данном случае наблюдаетсяне истинное распределение галактик в пространстве, а распределение искаженноенекоторыми условиями видимости.

В 1953 годуфранцузский астроном Вокулер, исследуя распределение по небу галактик до 12-йвеличины (т.е. ярких галактик), установил, что они определённо концентрируютсяк большому кругу, который перпендикулярен к галактическому экватору. Полоса, этогокруга, составляющая только 10% поверхности неба, включает приблизительно 2/3всех ярких галактик. Число галактик на 1 кв. градус в полосе приблизительно в10 раз больше, чем в областях вне полосы. Наука уже имела аналогичный опыт,когда Гершель, обнаружив концентрацию звёзд в галактической плоскости,установил существование нашей звёздной системы и определил, что она сплюснутая.Также и Вокулер пришел к выводу о существовании гигантской сплюснутой системыгалактик и называл её сверхсистемой галактик.

Значениесверхсистемы галактик для общей структуры Вселенной велико. Сверхсистема поразмерам значительно превосходит скопления галактик. Число галактик, входящих веё состав, исчисляются не тысячами, как в крупных скоплениях, а многимидесятками тысяч, возможно, достигает ста тысяч.

Диаметрсверхсистемы можно оценить в 30 М пс. Галактика находится далеко от её центра ивообще близка к краю. Её расстояние от внешней границы сверхсистемы 2- 4 М пс.Центр сверхсистемы находится в скоплении галактик в Деве, а само это скоплениеможет рассматриваться как ядро сверхсистемы.

Не толькооптическое излучение галактик показывает концентрацию к плоскости сверхсистемыгалактик. Общее радиоизлучение, исходящее от неба также обнаруживает явнуюконцентрацию к той же плоскости. Так как радиоизлучение неба в значительнойстепени вызывается галактиками, то в этом можно видеть подтверждение реальностисверхсистемы галактик.

Библиография:

1. Арзуманян «Небо. Звёзды. Вселенная» М. 87 г.

2. Воронцов Б.А.«Очерки о Вселенной» М. 76 г.

3. Зигель Ф.Ю.«Сокровища звёздного неба» М. 76 г.

4. Климишин И.А.«Астрономия наших дней» М. 80 г.

5. Агекян Т.А.«Звёзды. Галактики. Метагалактики» М. 82 г.

6. Чихевский А.А.«Земное эхо солнечных бурь» М. 76 г.

7. П. Ходж«Галактики» М. 95 г.

еще рефераты

Еще работы по астрономии

Реферат по астрономии

НЛО