КАРТА САЙТА

Строение и жизнь Вселенной

А.В. Галанин © 2012

© Галанин А.В. Cтроение и жизнь Вселенной // Вселенная живая [Электронный ресурс] – Владивосток, 2012. Адрес доступа: http://ukhtoma.ru/universe1.htm Предисловие || 1. Структура галактик || 2. Эволюция галактик и звезд в галактиках || 3. Галактика Млечный Путь || 4. Гравитационное взаимодействие звезд и планет в Галактиках || 5. Строение и свойства Метагалактики || 6. Солнечная система (общая характеристика) || 7. Происхождение Солнечной системы || 8. Планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля || 9. Планеты земной группы: Марс, Церера – карликовая планета из Пояса Астероидов || 10. Планеты гиганты: система Юпитера || 11. Планеты гиганты: система Сатурна || 12. Планеты гиганты: система Урана || 13. Планеты гиганты: система Нептуна || 14. Облако Оорта и Пояс Койпера. Плутоноиды || 15. Экзопланеты || 16. Свободные планеты Галактики || 17. Жизнь на Земле старше Солнечной системы|| 18. Как черные дыры порождают галактики || 19. Чёрные дыры и круговорот материи во Вселенной

Глава 1. Структура галактик

Введение

Галактики бывают трех типов: спиралевидные, эллиптические и неправильной формы. У спиралевидных галактик хорошо выражен диск, рукава и гало. В центре находится плотное скопление звезд и межзвездного вещества, а в самом центре – чёрная дыра. Рукава в спиралевидных галактиках отходят от их центра и закручены вправо или влево в зависимости от вращения ядра и чёрной дыры (точнее, сверхплотного тела) в его центре. В центре галактического диска находится сферическое уплотнение, называемое балджем. Число ветвей (рукавов) может быть различно: 1, 2, 3,… но чаще всего встречаются галактики только с двумя ветвями. В галактиках в гало входят звезды и очень разреженное газообразное вещество, не входящее в спирали и в диск.

Мы живем в спиральной галактике, которая называется Млечный Путь, и в ясную погоду наша Галактика хорошо видна на ночном небе в виде широкой беловатой полосы, пересекающей небосвод. Нам наша Галактика видна в профиль.

Шаровые скопления в центре галактик практически не зависят от положения диска галактики. Рукава галактик содержат сравнительно малую часть всех звезд, но зато в них сосредоточены почти все горячие звезды высокой светимости. Звезды этого типа астрономы считают молодыми, поэтому спиральные ветви галактик можно считать местом образования звезд.

 

Фотография спиральной галактики " Цевочное колесо" (M101, NGC 5457), получена орбитальным телескопом Хаббл, запущенным NASA в 1990 г. Спиральные галактики похожи на громадные вихри или водовороты в пространстве Метагалактики. Вращаясь, они движутся в Метагалактике подобно циклонам, движущимся в атмосфере Земли.

 

Эллиптические галактики часто встречаются в плотных скоплениях спиралевидных галактик. Они имеют форму эллипсоида или шара, причем шаровидные обычно бывают больше элипсоидных. Скорость вращения эллипсоидных галактик меньше, чем у спиралевидных, потому диск у них не сформирован. Такие галактики обычно насыщены шаровидными скоплениями звезд. Эллиптические галактики, как считают астрономы, состоят из старых звёзд и практически полностью лишены газа. В их старости я, однако, сильно сомневаюсь. Почему? Расскажу об этом позже.

Галактики неправильной формы обычно имеют небольшую массу и объем, в них входит немного звезд. Как правило, они являются спутниками спиралевидных галактик. В них обычно очень мало шаровых скоплений звезд. Примерами таких галактик являются спутники Млечного Пути – Большое и Малое Магеллановы облака. Но среди неправильных галактик встречаются и малые эллиптические галактики.

В центре почти каждой галактики находится очень массивное тело – чёрная дыра – с такой мощной гравитацией, что его плотность равна или больше плотности ядер атомов. По сути, каждая чёрная дыра – это в пространстве небольшое, а по массе просто чудовищное, бешено вращающееся ядро. Название "чёрная дыра" явно неудачное, так как никакая это не дыра, а очень плотное тело с мощной гравитацией – такой, что даже легкие фотоны не могут из него вырваться. И когда чёрная дыра накапливает в себе чересчур большую массу и кинетическую энергию вращения, в ней нарушается равновесие массы и кинетической энергии, и тогда она исторгает из себя фрагменты, которые (самые массивные) становятся малыми чёрными дырами второго порядка, фрагменты поменьше – будущими звездами, когда соберут на себя большие водородные атмосферы из галактических облаков, а фрагменты мелкие станут планетами, когда собранного водорода не хватит для начала термоядерного синтеза. Думаю, что галактики образуются из массивных чёрных дыр, мало того, в галактиках совершается космический круговорот вещества и энергии. В начале чёрная дыра поглощает вещество, рассеянное в Метагалактике: в это время, благодаря своей гравитации, она действует как "пылегазосос". Вокруг чёрной дыры концентрируется водород, рассеянный в Метагалактике, при этом образуется шарообразное скопление газа и пыли. Вращение чёрной дыры увлекает газ и пыль, отчего шарообразное облако сплющивается, в нем образуются центральное ядро и рукава.

Накопив критическую массу, чёрная дыра в центре газо-пылевого облака начинает выбрасывать фрагменты (фрагментоиды), которые отрываются от нее с большим ускорением, достаточным, чтобы быть выброшенными на круговую орбиту вокруг центральной чёрноё дыры. На орбите, взаимодействуя с газо-пылевыми облаками, эти фрагментоиды гравитационно захватывают газ и пыль. Крупные фрагментоиды становятся звездами.

Чёрные дыры своей гравитацией затягивают в себя космическую пыль и газ, которые, падая на такие дыры, сильно раскаляются и излучают в рентгеновском диапазоне. Когда вещества вокруг чёрной дыры становится мало, ее свечение резко уменьшается. Поэтому в некоторых галактиках в центре видно яркое свечение, а в других нет. Чёрные дыры подобны космическим «убийцам»: их гравитация притягивает даже фотоны и радио волны, отчего сама чёрная дыра не излучает и выглядит как абсолютно чёрное тело.

Но, вероятно, периодически гравитационное равновесие внутри чёрных дыр нарушается, и они начинают извергать сгустки сверхплотного вещества, обладающие сильной гравитацией, под воздействием которой эти сгустки принимают шарообразную форму и начинают притягивать пыль и газ из окружающего пространства. Из захваченного вещества на этих телах формируются твердые, жидкие и газообразные оболочки. Чем массивнее был извергнутый чёрной дырой сгусток сверхплотного вещества (фрагментоид), тем больше он соберет на себя пыли и газа из окружающего пространства (если, конечно, это вещество в окружающем пространстве имеется).

 

Немного истории исследований

Изучению галактик астрофизика обязана А. Робертсу, Г.Д. Кёртису, Э. Хабблу, Х. Шелли и многим другим. Интересную морфологическую классификацию галактик предложил Эдвин Хаббл в 1926 г. и усовершенствовал ее в 1936 г. Эта классификация называется "Камертон Хаббла". До самой смерти в 1953г. Хаббл улучшал свою систему, а после его смерти это делал А. Сендидж, который в 1961 г. внес существенные новшества в систему Хаббла. Сендидж выделил группу спиральных галактик с рукавами, начинающимися на внешнем краю кольца, и спиральных галактик, у которых спиральные рукава начинаются сразу от ядра. Особое место в классификации занимают спиральные галактики с клочковатой структурой и слабо выраженным ядром. За созвездиями Скульптор и Печь Х. Шелли в 1938 г. открыл карликовые эллиптические галактики с очень низкой яркостью.

Эдвин Пауэлл Хаббл (1889–1953) – великий астрофизик, в честь которого назван орбитальный телескоп. Фото с сайта: http://www.penza.com.ru

Телескоп им. Хаббла. Фото с сайта: http://www.fromuz.com Телескоп запущен на орбиту в 1990 г. и будет работать до 2014 г. Вот его основные характеристики: длина – 13,3 м, диаметр – 4,2 м, диаметр главного зеркала телескопа-рефлектора – 2,4 м, масса – 11 100 кг, высота орбиты – 612 км, фокусное расстояние – 57,6 м, площадь собирающей поверхности: приблизительно 4,3 м, период обращения: 96–97 мин, орбитальная скорость: ~7500 м/с, ускорение: 8,169 м/с, волновой диапазон: видимый, ультрафиолетовый, инфракрасный

Основным недостатком классификации Хаббла де Вокулёр считал то, что разделение спиральных галактик на обладающие и не обладающие баром (бар –"прямая перемычка" на схеме, от которой отходят спирали галактики) недостаточно хорошо отражает существующий диапазон морфологических особенностей спиралей. В частности, де Вокулёр указывал на такие структурные особенности спиральных галактик, как кольца и бальджи. Он обратил особое внимание на кольцеобразные галактики, у которых имеется кольцо вокруг центра галактики, от которого отходят спиральные ветви. Кроме того, де Вокулёр указал, что в Метагалактике спиральных галактик с баром и без него примерно равное количество. В деталях с классификацией галактик де Вокулёра можно познакомиться в интернете на специальных сайтах.

Уильям Морган и Филипп Кинан разработали систему классификации галактик, основываясь на особенностях их спектров излучения.

Классификация галактик по Хабблу. Поверхностная яркость эллиптических галактик плавно уменьшается от центра к периферии по закону, описываемому уравнением эллипса. Схема с сайта: http://www.astrolab.ru Хаббл предполагал, что развитие галактик происходит по схеме, представленной на этом рисунке. Шарообразные галактики начинают вращаться ускоренно, отчего сплющиваются и становятся спиральными галактиками. При этом в зависимости от активности ядра они развиваются в двух главных направлениях – с образованием бара и без его образования. Де Вокулёр также разделил галактики на две большие группы – с баром и без него. Но галактики с баром при их дальнейшей эволюции могут превращаться в галактики без бара. При этом он выделил и промежуточные состояния при динамике галактик. Однако в его схеме эллиптических галактик во Вселенной должно быть мало, что не соответствует действительности.

Морфологическая классификация спиральных галактик по Ж. де Вокулёру. Схема с сайта: http://ru.science.wikia.com/wiki/

Газ в спиральных рукавах состоит в основном из водорода. Обычно он практически неионизован, но вокруг горячих звезд водород ионизован. Кроме газа в спиральные облака входит рассеянная межзвездная пыль. Кроме того, в рукавах наблюдаются тонкие полоски, пересекающие рукава, и отдельные темные массы. Концентрация звезд, образующих галактический диск, тоже несколько увеличивается в спиральных ветвях, но не так сильно, как концентрация газа.

Звезды и другие объекты галактического диска движутся по орбитам, близким к круговым. Экспериментально установлено, что угловая скорость этого движения убывает с удалением от центра галактики. При таком характере вращения большие газовые облака растягиваются и становятся похожими на часть спиральной ветви. Дифференцирующее вращение способно создать структуры, похожие на наблюдаемые рукава галактик. В течение нескольких оборотов Галактики такие структуры должны были бы разрушаться, пространственнное распределение водорода, пыли и горячих звезд в галактиках должно становиться все более хаотическим, чего, однако, в большинстве случаев не наблюдается.

Движение газа в галактиках остается загадкой. Газовые галактические спирали тоже вращаются, но гораздо медленнее звезд и других тел. А газ в этих спиралях течет по направлению к ядрам галактик, примерно так, как в земной атмосфере течет к центру атмосферного циклона теплый воздух, постепенно поднимаясь вверх и охлаждаясь. А охладившись, опускается через центр циклона ("глаз" циклона) вниз и растекается прочь во все стороны от этого центра.

Вокулер Жерар (второй слева) с коллегами. Фото с сайта: http://www.persons-info.com/

Вокулер Жерар (1918–1995). Фото с сайта: http://www.bayesrules.net/

Б. Линдблад первым высказал идею о том, что спиральные ветви могут быть волнами плотности. В 1964 г. Ц. Лин и Ф. Шу показали, что в галактиках действительно могут существовать волны плотности спиралевидной формы, вращающиеся с угловой скоростью и распространяющиеся по радиусу с определенной групповой скоростью. Поскольку в Галактике газа мало (2–5% от ее массы), то волны распространяются по звездному населению, в котором они могут возбуждаться, а газ уже реагирует на возмущение гравитационного потенциала, связанного с волнами, бегущими по системе звезд, т.е. его движение в гравитационном поле рукавов является несамосогласованным.

Циклон с левым вращением, сформировавшийся в северном полушарии. В его центре (глаз циклона) холодный воздух опускается вниз и растекается под слой теплого воздуха. А тот начинает двигаться к центру, при этом поднимаясь вверх и охлаждаясь там. При этом пары воды, содержащиеся в теплом воздухе, при его охлаждении конденсируются в туман и в капельки воды, отчего формируются облака и на землю выпадает дождь. В галактиках роль "глаза" циклона выполняют чёрные дыры, в которые проваливаются (а точнее, переходят в новое сверхплотное состояние) газ водород и космическая пыль.

Циклон с правым вращением, сформировавшийся в южном полушарии. Циклоны имеют спиральную структуру, они вращаются вокруг "глаза" в центре, при этом воздух движется по спирали в центр циклона.

Внешне циклоны очень похожи на спиральные галактики. Кстати, галактики тоже бывают левовращающиеся и правовращающиеся. Возможно, разница в направлении вращения связана с тем, каким знаком к нам обращено магнитное поле черной дыры. Ведь если черная дыра – фактически огромное ядро, то вращающиеся электроны вокруг него должны образовывать облако, а значит, у него должно быть свое магнитное поле!

Звезды в галактиках друг с другом не сталкиваются. Расчитанное время, необходимое по теории вероятности для столкновения двух звезд в результате возможных их сближений, на 3–4 порядка больше возраста самих галактик. Поэтому возможность распространения волн в телах галактик в результате жесткого столкновения звезд маловероятна. В облаках галактик упругость, необходимая для распространения волн плотности, может быть обусловлена силами Кориолиса, к тому же вращающиеся галактики в пространстве Метагалактики передвигаются в определенных направлениях. Нет ответа на вопрос: почему в Метагалактике есть как правовращающиеся галактики, так и левовращающиеся? Для атмосферных циклонов ответ на этот вопрос известен: на планетах есть северное и южное полушария, а закручивает циклоны сила Кориолиса, связанная с вращением планеты вокруг своей оси – с магнитным полем Земли.

Волновая теория спиральной структуры галактик разработана достаточно детально. Однако она не решает всех проблем с их строением. Регулярный спиральный узор наблюдается не во всех галактиках, в некоторых часто видны довольно нерегулярные структуры, состоящие из многих коротких образований, а иногда облаков. Регулярный спиральный узор наблюдается у галактик, имеющих бар, и у галактик со "спутниками". В этих случаях теория объясняет регулярную структуру так: бар в центре галактики действует как генератор, возбуждающий и поддерживающий волны плотности. Галактика-спутник, как показывают расчеты на ЭВМ, также может возбуждать спиральные волны плотности в основной галактике, благодаря возникающим здесь приливным силам.

Очень активная галактика со спутником. Ядро ее засасывает мощные струи газа и пыли и выбрасывает сгустки сверхплотного вещества – чёрные дыры, протозвезды и протопланеты. В чёрные дырах плотность вещества такая же, как в ядре галактики, в протозвездах чуть меньше. Протозвезды и протопланеты не могут удерживать кванты света и легкие элементарные частицы. Таким образом в галактиках, кроме звезд, газа и планет, есть еще абсолютно чёрные сверхплотные тела, называемые космофизиками малыми чёрными дырами. Фото с сайта: http://www.mprpa.ru Обратите внимание на то, что в эллиптическом спутнике этой галактики ярких звезд не образуется, они образуются только в спиральных рукавах галактики. Я объясняю это высокой активностью чёрной дыры в спиральной галактике и низкой активностью чёрной дыры в центре эллиптической галактики спутника.

Большое скопление галактик Абель 370, увиденное с помощью телескопа Хаббл за созвездием Телескоп. Возможно, когда-то ядра этих галактик в виде чёрных дыр были выброшены из супермассивной чёрной дыры и начали собирать вокруг себя метагалактический газ и пыль. Подросши (набрав критическую массу), они начали исторгать фрагментарии – будущие звезды и планеты. Таким образом, фрагментация чёрных дыр во Вселенной может быть иерархической. По всей вероятности, галактики этого скопления связаны друг с другом гравитационно, а возможно, они и возникли вместе в результате фрагментации сверхмассивной чёрной дыры в одном из узлов Метагалактики.

Галактический диск вращается дифференциально – каждая звезда, а иногда группа гравитационно связанных звезд вращается сама по себе, а спиральные рукава, как утверждают космофизики, вращаются "твердотельно" как изоморфные структуры , поэтому в плоскости Галактики должна существовать окружность (точнее, кольцо), в котором угловые скорости звезд и спиралей (волны плотности) равны. Такая окружность называется коротационной. В каждой спиральной галактике может существовать только одна такая окружность. Галактическая орбита Солнечной системы близка к коротационной окружности и, следовательно, находится в особом положении – Солнечная система вращается с одинаковой скоростью с вращением галактических рукавов. Звезды, расположенные ближе к ядру галактики, вращаются быстрее, чем газо-пылевые рукава, а расположенные дальше коратационного пояса – медленнее.

Теория волн плотности в спиральных галактиках пока далека от окончательного решения. Неясны источники энергии волн и механизмы, препятствующие их затуханию, необъяснимы типы волн, ответственные за наблюдаемые спиральные узоры, не удается объяснить все многообразие наблюдаемых форм спиральной структуры галактик.

Дж. Джине писал: «Каждая неудачная попытка объяснить происхождение спиральных ветвей делает все более трудным сопротивление предположению, что спиральные рукава являются полем действия сил, полностью неизвестных нам, отражающих, возможно, новые метрические свойства пространства, о которых мы и не подозреваем». Он допускал, что в ядрах галактик «в нашу Вселенную вливается вещество из каких-то других, совершенно чуждых нам пространственных измерений». Истечение вещества к ядрам галактик в сочетании с вращением чёрных дыр в этих ядрах и их фрагментацией могло бы породить галактические рукава. Дж. Джине, как большинство астрофизиков, считал, что вещество в рукавах галактик истекает (выбрасывается) из их ядер, а не падает в них, потому эта проблема казалась ему неразрешимой в рамках известных законов физики.

Против гипотезы Джине говорит то, что у звезд в галактическом диске круговые орбиты, а рукава, как правило, начинаются не в непосредственной близости от ядра галактики, а в нескольких килопарсеках от него. Но Джине был прав в одном: «Пока спиральные ветви остаются необъясненными, невозможно чувствовать доверие к любым предположениям и гипотезам, касающимся других особенностей туманностей, которые кажутся более легко поддающимися объяснению».

Только в центральной области галактики звезды вращаются с одинаковой угловой скоростью, а дальше от центра угловая скорость вращения звезд убывает с расстоянием от центра. Поэтому любая достаточно большая и разреженная группировка гравитационно связанных звезд, в которой взаимное притяжение между звездами слабое, должна со временем распасться.

Массивные звезды образуются в газовых облаках гораздо быстрее: они в этих облаках довольно быстро (разумеется, по космическим масштабам времени) превращаются в сверхновые, и если рядом есть другие газовые облака, то эстафета звездообразования передается дальше этим облакам. О возможности такого "эпидемического характера" звездообразования говорил В. Бааде.

У. Герол и Ф. Сейден усовершенствовали модель образования спиральной структуры галактик, предложенную Мюллером и Арнетом, и еще больше приблизили ее к реальности. Тем не менее в настоящее время большую популярность имеет волновая теория спиральной структуры, которую возродили в 1964 году Ц. Лин и Ф. Шу, развившие идеи Б. Линдблада.

Считается, что это – молодая зарождающаяся галактика. Из ее ядра выбрасывается сверхплотное вещество в виде отдельных тел – фрагментариев, которые имеют огромную плотность чёрной дыры. Пролетая сквозь спиральные облака газа и пыли, эти сверхплотные тела притягивают газ благодаря своей гравитации и покрываются рыхлыми внешними оболочками – корой из пыли, водородной атмосферой. У самых тяжелых из них водородная атмосфера оказывается такой мощной, что в ее глубине на границе с плотным ядром, которое (разуплотняясь) выделяет много тепла, начинается термоядерная реакция. Так рождаются (буквально вспыхивают) звезды. Тела поменьше не могут удержать большую водородную атмосферу, поэтому они не становятся звездами, – это будущие планеты. Чтобы фрагментарий мог покрыться атмосферой и вспыхнуть звездой, он должны пролететь от ядра галактики значительное расстояние сквозь облака водорода и пыли и сформировать свою водородную атмосферу. Между ядром и кольцом тоже великое множество звезд, вращающихся по более близким к ядру галактики орбитам. Массы их фрагментариев были небольшими, поэтому эти звезды менее яркие. В кольце же галактики мы видим вспыхнувшие звезды гиганты с более массивными фрагментариями в своих ядрах. Фото с сайта: http://mati-himia.3dn.ru/photo/3-0-159-3 Черная дыра в центре галактики NGC 6946 фонтанирует материю в виде физических полей, квантов света, элементарных частиц и сгустков сверхплотного вещества. Удаляясь от центра галактики, сверхплотные тела взаимодействуют с газом галактических рукавов и друг с другом, образуя гравитационные системы космических тел – двойные и тройные звезды, планетные системы. Атомы водорода и пыль, рассеянные в пространстве галактики, захватываются сверхплотными телами, которые формируют из них свои атмосферы. Эта спиральная галактика находится от нас на расстоянии 10 миллионов световых лет, она видна за созвездием Цефея. Фото с сайта: http://trasyy.livejournal.com/829302.html Судя по структуре рукавов и межрукавных пространств, эта галактика пережила гравитационную катастрофу, отчего у нее несколько "потрепанный" вид. Голубоватое продолговатое светлое пятнышко в левой части – это, возможно, центральное тело небольшой галактики, которая столкнулась с большей галактикой и потеряла свои газо-пылевые облака и часть звезд и планет – передала их большей галактике. Звезды Млечного пути на этой фотографии видны как круглые голубоватые пятнышки и точки, а вот пятна красноватого цвета – это звезды и звездные скопления из другой галактики. Фото с сайта: http://stihi.bloggerscafe.info/

Галактика NGC 1232 имеет правильную спиралевидную структуру, ее ядро вращается слева направо. Светлые шарики – это звезды нашей Галактики. Звезды другой галактики как отдельные точки, а тем более шарики, не видны. Фото с сайта: http://trasyy.livejournal.com/ Галактика Андромеда М31 является гигантом среди галактик, она во много раз больше нашего Млечного Пути – нашей Галактики. Если внимательно присмотреться к этим ее трем "портретам", снятым в разных диапазонах электромагнитных колебаний, то можно заметить, что ее спиральная структура сильно нарушена. У этой галактики есть ядро, из которого исходят спиральные рукава, а эти рукава во внешней части исходят из некоего тора, и в этом торе (кольце) очень много ярких сверхновых звезд, здесь идет бурное звездообразование. Слева виден какой-то "протуберанец" или дуга, выходящая и входящая в огненное кольцо внешнего тора. Можно предположить, что такая структура и столь огромная масса Андромеды возникли в результате поглощения ею во время столкновений нескольких галактик меньшего размера – в результате своеобразного галактического каннибализма. А газ и пыль в кольце удерживается гравитацией находящихся здесь в большом числе тяжелых звезд, которые буквально "не отпускают" газ и пыль внутрь к ядру галактики. Фото с сайта: http://mckweb.ucoz.ru/news/2009-9-22   Галактики могут сталкиваться друг с другом. Масштаб вот этой космической катастрофы нам трудно представить. При таком взаимодействии галактик нарушается гравитационное равновесие в этих системах: входящие в них звезды со своими планетами, планеты с их спутниками начинают сходить со своих орбит, сталкиваются друг с другом, некоторые планеты покидают свою звезду и становятся самостоятельными галактическими странниками, иные планеты переходят от одной звезды к другой, третьи падают на свои звезды и поглощаются ими. Образуются двойные и тройные звезды. На этом фото мы видим две столкнувшиеся галактики, с разными направлениями вращения их ядер и газо-пылевых дисков. Спирали этих галактик закручены в разные стороны. А вот в какие стороны в них движутся по орбитам звезды, пока сказать невозможно. Фото с сайта: http://nfnmzyf.forum2x2.ru/   После столкновения эти галактики оказалась в сильно "потрепанном" виде. Их газо-пылевые диски почти разорвало и разрушило их спиральную структуру. При этом сохранились оба ядра галактик, которые со временем могут породить две новые небольшие спиральные галактики, связанные друг с другом гравитационно. Так, вероятно, образуются двойные галактики и большие галактики с маленькими галактиками спутниками. Кстати, у нашей Галактики тоже есть два спутника – это Большое и Малое Магеллановы облака, которые можно увидеть невооруженным глазом и разглядеть в бинокль. Фото с сайта: http://desktopwallpapers.org.ua   Даже небольшое количество помещенных здесь фотографий разных галактик показывает, что их разнообразие во Вселенной очень велико. Галактики – это динамические системы, осуществляющие космический круговорот вещества и энергии. Они с помощью гравитации своих чёрных дыр собирают во Вселенной диффузное (рассеянное) вещество с высоким уровнем энтропии, "перерабатывают" его в сверхплотное вещество и выбрасывают сверхплотные фрагментарии в окружающее пространство.

Различие скоростей вращения спирального узора и галактического вещества уменьшается по мере удаления от центра галактики, пока эти скорости не становятся равными на радиусе коротации. Еще дальше от центра галактики спиральные рукава вращаются быстрее, чем звезды. Поэтому вблизи радиуса коротации спиральные рукава галактик плохо заметны, и что делается за этими радиусами, сказать пока трудно.

 

Цефеиды и измерение расстояний в космосе

В конце 1923 года молодой астроном обсерватории Маунт Вилсон Э. Хаббл, проводя поиск новых звезд, открыл в туманности Андромеды первую цефеиду (звезду с переменным блеском), а через год оценил расстояние до этой «туманности». Выяснилось: по размерам, составу и строению Андромеда – такая же галактика, как и наша. Опираясь на цефеиды в ближайших галактиках, Хаббл смог определить расстояния до далеких галактик и в 1929 году показал, что красное смещение в спектрах галактик пропорционально их расстоянию от нас. Он открыл, что Вселенная населена галактиками и расширяется. Доказательство этого в ХХ веке остается и по сей день крупнейшим достижением астрономии, незыблемым фундаментом естествознания.

Кривая блеска цефеиды. Красными точками отмечены измерения астрономов любителей, четырьмя звёздами – данные с телескопа "Хаббл". Иллюстрация NASA: ESA, Hubble Heritage Team, American Association of Variable Star Observers. Схема с сайта: http://magspace.ru/blog/space/192565.html Изменение блеска цефеиды в одном полном цикле.

Классические цефеиды являются проэволюционировавшими звёздами главной последовательности спектрального класса B с массами в 3–12 солнечных. Периоды классических цефеид, как считают астрономы, зависят не только от их масс, но и от возраста. Схема с сайта: http://ru.wikipedia.org/wiki/

Цефеиды – это переменные звезды (пульсирующие гиганты), названные по звезде дельта Цефея. Периоды изменения их блеска заключены в пределах от 1,5 до 50 суток. Эти объекты есть как в нашей Галактике, так и в других звездных системах – в Магеллаповых Облаках, в туманности Андромеды и др. Амплитуды колебаний блеска цефеид разнообразны. Синхронно с блеском у цефеид изменяются температура фотосферы, цвет, радиус фотосферы и атмосферы, в которой возникают спектральные линии.

Пульсация светимости связана с тем, что цефеиды являются двойными звездами, вращающимися вокруг общего центра тяжести. Плоскость орбит их вращения обращена к нам ребром. Поэтому периодически одна звезда закрывает другую, отчего светимость объекта (обоих звезд вместе, а они для нас неразделимы) уменьшается в два раза.

В настоящее время в нашей Галактике известно около 1000 цефеид. Их изучение и статистическое сопоставление их свойств показало, что совокупность цефеид неоднородна по своему составу. Пришлось разделить цефеиды на подклассы. Наиболее многочисленна группа дельта-цефеиды. Для них характерна зависимость между периодом и формой кривой блеска, открытая Э. Герцшпрунгом. У цефеид с периодами в пределах от 1,5 до 5 суток кривая изменения блеска гладкая. При более продолжительных значениях периода появляется "горбик" на нисходящей ветви кривой блеска, который постепенно перемещается к максимуму, при периоде около 10 суток горбик совмещается с максимумом, а затем проявляется на восходящей ветви кривой в виде задержки подъема блеска. Таким образом, по величине периода и форме кривой блеска дельта-цефеиду легко отличить от других объектов. На основе длительных наблюдений с применением метода графиков изучено изменение периодов многих цефеид. Обнаружено, что у разных подклассов цефеид эти изменения протекают по-разному.

Цефеиды сыграли в астрономии огромную роль: метод определения расстояний при помощи цефеид является основным методом определения расстояний в галактике и между галактиками. В 1783 году Пиготт обнаружил изменяемость блеска Этта Орла с периодом в 7 дней, а в следующем году Гудрайк открыл переменность дельта Цефея и нашел, что ее блеск возвращается к прежнему состоянию каждые 5 дней 8 часов 37 минут. К началу ХХ века было известно уже более 30 переменных звезд, блеск которых изменялся в среднем на звездную величину с периодом от 2–3 до 40 дней: звезды этого класса и назвали цефеидами.

Их изучение дало наилучший способ определения больших расстояний. В 1908 году Г. Ливитт опубликовала каталог переменных звезд, открытых ею в Малом Магеллановом Облаке. Для 16 из них она смогла определить периоды изменения блеска. «Стоит отметить,— писала мисс Ливитт,— что более яркие переменные имеют больший период». Спустя четыре года Ливитт получила уже периоды 25 звезд и сопоставила их на графике с блеском в максимуме и минимуме. Блеск оказался связан с периодом колебаний линейной зависимостью, и она заключила: «Так как эти переменные звезды, вероятно, находятся на одинаковом расстоянии от Земли, их периоды связаны с количеством излучаемого ими света», то есть со светимостью.

Но если известна светимость хотя бы одной звезды, то для любой другой звезды данного типа можно определить расстояние по периоду колебания ее светимости, сравнивая его с видимым блеском. Э. Герцшпрунг понял, что переменные звезды, найденные Ливитт, и есть цефеиды, хорошо известные в окрестностях Солнца, – форма кривых блеска, амплитуды и периоды убедительно свидетельствовали об этом. В 1913 году по 13 звездам с известным собственным движением он получил статистический параллакс цефеид и их среднюю светимость. Сравнивая видимые величины цефеид Малого Магелланова Облака с абсолютной величиной цефеид Галактики Млечный Путь, Герцшпрунг впервые определил расстояние до Магелланова Облака в 30 000 световых лет. Расстояние до Облака оказалось очень большим по сравнению с его размерами, и поэтому все цефеиды Магеллановых Облаков можно было считать находящимися примерно на одинаковом расстоянии от нас.

Напомню единицы измерения, используемые в астрономии: 1 а.е. = 149 600 000 км; 1 пс = 206 265 а.е. = 3,26 светового года; 1 световой год = 63 240 а.е. = 0,3067 пс.

В 1918 году Шепли предпринял новую калибровку зависимости периода колебания светимости цефеид от интенсивности светимости. Он привлек переменные звезды в шаровых скоплениях. Шепли создал схему строения Галактики и нашел, что центр ее расположен в 10 кпс от нас, а не вблизи Солнца, как считали до этого.

Э. Хаббл к концу 1924 года обнаружил и исследовал в туманности Треугольника (М33) 47 очень слабых переменных звезд и 36 таких же звезд в туманности Андромеды (М31). Многие из них всеми своими характеристиками напоминали цефеиды. Хаббл определил их периоды и нашел, что амплитуда изменения блеска у этих звезд такая же, как и у галактических цефеид. Кривые блеска тоже ничем не отличались от кривых для цефеид Галактики и Магеллановых Облаков. Сомнений в том, что эти звезды цефеиды, быть не могло. Примененная Хабблом зависимость период—светимость указывала, что расстояние М33, например, составляет 285 кпс. Даже при завышенных Шепли размерах Галактики туманность Треугольника оказывалась далеко за пределами Млечного Пути. Почти такое же расстояние Хаббл вскоре получил для М31. Шепли был сражен его же собственным оружием – цефеидами, ведь он был убежден, что М33 и М31 находятся в пределах Млечного Пути, т.е. в нашей Галактике. Благодаря зависимости период—светимость, цефеиды стали использоваться как эталоны светимости при определении расстояний. Эдвин Хаббл обнаружил несколько цефеид в галактике Андромеды и вычислил расстояние до них, тем самым впервые доказал существование объектов вне нашей Галактики.

Ричи еще в 1910 г. различил в этих галактиках отдельные звезды, но не смог это доказать. На его фотографии М31, снятой в 1910 году, можно отождествить десяток цефеид, открытых позднее Хабблом и Бааде. Ричи вспоминал, что в 1919 году у него была подготовлена к печати статья, в которой доказывалось, что М33 и М31 – это независимые самостоятельные галактики, но эта статья не вышла в свет, так как ее не выпустило руководство обсерватории Маунт Вилсон. Сообщение "подрывало" сложившиеся устои астрономии того времени, было чересчур смелым.

Ориентируясь на цефеиды в дальних галактиках, астрономы не только определяют расстояния до удаленных объектов, они определяют постоянную Хаббла – степень красного смещения в линиях спектров поглощения в излучении, приходящем от этих звезд. Эти исследования, основанные на данных от космического спутника, показывают, что цефеиды могут терять массу, а значит, требуются уточняющие пересчеты вычисленных ранее расстояний до галактик. Постоянная Хаббла является одной из фундаментальных наблюдательных констант космологии. Она определяет масштаб Вселенной, связывая наблюдаемые скорости убегания галактик с расстоянием до них. В конце сентября 1994 г. были опубликованы результаты наблюдений цефеид в галактике NGC 4571, находящейся вблизи центра скопления за созвездием Девы. Были обнаружено 3 цефеиды, по которым расстояние до галактики оказалось равным 14.9±1.2 Мпк. Это привело к оценке постоянной Хаббла H0 = 87±7 км/(сМпк). Анализ цефеид за созвездиеми Девы дал значение постоянной Хаббла H0 = 80±17 км/(сМпк). Близкое значение постоянной Хаббла (H0 = 77±16 км/(сМпк) было получено из оценки наблюдаемой скорости удаления более далекого сверхскопления галактик за созвездием Волосы Вероники.

Постоянная Хаббла – это коэффициент, который связывает расстояние до внегалактического объекта (галактики, квазара) со скоростью его удаления. Обычно обозначается буквой H. Постоянная Хаббла имеет размерность обратную времени, но выражается обычно в км/с на мегапарсек.

Паралакс – это видимое угловое смещение объекта при наблюдении его из двух точек, не лежащих на линии, соединяющей наблюдателя и объект. На этой схеме для определения паралаксов трех объектов: 1– находящийся на околоземной орбите, 2 – на орбите Луны, 3 – кометы за орбитой Луны, необходимо провести наблюдения за ними из двух точек на Земле, причем сделать это надо одновременно. Зная расстояние между точками, из которых проводилось наблюдение, и угол – паралакс, можно, решая треугольник, определить расстояние до объекта. Например, горизонтальный экваториальный параллакс Солнца – это угол, под которым из одной точки с поверхности Солнца виден экваториальный радиус Земли. Схема с сайта: http://in-space.info

В данном случае для измерения паралакса звезды – измерения угла из двух точек базовой линии – наблюдения проводят из двух противоположных точек земной орбиты. Это наибольшее расстояние (диаметр орбиты Солнечной системы), на которое может передвинуться сегодня земной наблюдатель. Но используя космические аппараты, мы можем в качестве базового расстояния использовать и большие расстояния, например, диаметр орбиты Юпитера. Схема с сайта: http://cnx.org

 

Ближайшие к нам галактики

С помощью орбитального телескопа Хаббл были получены прекрасные фотографии многих космических объектов, удаленных от нас на немыслимые расстояния. Но пожалуй, наиболее впечатляющими являются фотографии ближайших к нам галактик М31 и М33. На этих фотографиях даже можно различить отдельные наиболее крупные звезды, входящие в эти системы.

 

Галактика М 31 – Туманность Андромеды – левовращающая, ее газо-пылевые облака закручены влево. Эта галактика различима на ночном небе невооруженным глазом, удалена от нас на расстояние 5 миллиона световых лет. Фото с сайта: http://blogs.privet.ru/

Галактика М 33 – Треугольник – правовращающая, ее газо-пылевые облака закручена вправо. Фото с сайта: http://chemistry-chemists.com

 

В 1943 году В. Бааде обнаружил, что центральная часть М31 состоит из таких же звезд, как старые шаровые скопления. В диске и спиральных рукавах «обитают» молодые звезды, а в короне и центральных областях – старые звезды. Через несколько лет Бааде выяснил, что спиральные рукава М31 обрисовываются не только звездами высокой светимости, но и пылью, а также областями ионизированного водорода.

Исследование спиральных рукавов в ближайших галактиках подтвердило, что гигантские молекулярные облака, состоящие в основном из молекул водорода, концентрируются в рукавах. Эти облака были обнаружены и в нашей Галактике. Детальное изучение спиральной структуры М31 позволило доказать, что молекулярные облака столь же хорошо обрисовывают рукава, как и атомарный водород. Облака образуются в спиральных рукавах, а затем разрушаются под воздействием излучения родившихся в них звезд. Масса газа, не израсходованного на формирование звезд, обычно существенно больше суммарной массы звезд, остающихся после образования. Звездные группировки в галактике оказываются гравитационно неустойчивыми.

В галактике М33 астрофизики нашли признаки градиента возрастов звезд лишь в части спирального рукава, ближайшего к центру галактики, а нейтральный водород оказался плотнее всего не у края, а близ середины рукава. Спиральные рукава М33 состоят из довольно коротких обрывков, в этой галактике много звезд высокой светимости находится за пределами рукавов.

На фотографиях галактики М31 видно, что рукава отходят и закручены по часовой стрелке, а галактика вращается в противоположном направлении. Это подтверждает форма пылевых волокон близ ядра М31 и распределение нейтрального водорода вдали от центра галактики. Градиента возраста звезд в рукавах этой галактики нет.

На границе рукавов в них возникает ударная волна, и плотность газа повышается в 10–30 раз, что весьма благоприятно для звездообразования, в первую очередь – образования массивных звезд, которых у внутреннего края особенно много. Резко выраженная волна плотности управляет звездообразованием. В середине рукава и вне рукава массивных звезд, в том числе цефеид, почти нет.

Левовращающаяся очень активная галактика M81 с хорошо выраженным ядром, спиральной структурой и звездообразованием в рукавах. Фото с портала NASA, полученное телескопом Хаббл.

 

Сложная галактика NGC3314. Это явно две гравитационно связанные галактики, вращающиеся в разные стороны и столкнувшиеся друг с другом. Фото с портала NASA, полученное телескопом Хаббл.   Продолжение статьи о галактиках смотри на следующей страничке.

Эта сказка стара как мир. Мы летим, мы небесная сфера, Но отсутствует командир, Хотя много бортинженеров. Хотя много средь нас врачей, И исследователей – с избытком. Что ж, Земля – котелок кислых щей Или кружка с серьезным напитком?... Может, мир – то что выберешь ты, Кто вокруг, что с тобою рядом. Если будешь сажать цветы, То Земля скоро станет садом. Мир летит в неизведанных снах, Наш кораблик по кругу мчится. Нет, весь мир стоит на слонах, И выкармливает нас волчица. Караваны ракет... Караваны ракет... Мы, конечно, еще не родИлись на свет... Мы не знали потом, посещая детсад: Караваны ракет в никуда полетят... Караванами дней и цепочками рек Мы прикованы к нашей планете навек. Под названием Солнце – живая звезда, Притяжения нам не избыть – никогда. На планете Земля шелестят тополя. Я иду, караваны ракит шевеля, От высокого Солнца в груди горячо... Да, Жюль Верн, Циолковский, да, Кир Булычев, Мы уже не увидим летящих ракет. Просто мы еще, друг, не родились на свет. Караваны ракит мое сердце хранит... И уже не поймешь, где ракета, где скит. Караваны ракет, караваны невзгод... Как же хочется, хочется в этот полет. Алла Козырева

---

При написании данной странички была также использована информация с сайтов:

1. Википедия. Адрес доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/

2. Сайт "Astronet". Адрес доступа: http://www.astronet.ru/db/msg/1187141; http://www.astronet.ru/db/msg/1201987

3. http://infohubble.ru/

4. http://space.rin.ru/articles/html/278.html