Галактики

Большой портрет галактик

Не так давно астрономы начали работать над совместным проектом для выявления расположения галактик во всей Вселенной. Их задача – получить более детальную картину общей структуры и формы Вселенной в больших масштабах. К сожалению, масштабы Вселенной сложно оценить для понимания многими людьми. Взять хотя бы нашу галактику, состоящую более чем из ста миллиардов звезд. Во Вселенной существуют еще миллиарды галактик. Обнаружены дальние галактики, но мы видим их свет таким, который был практически 9 млрд лет назад (нас разделяет такое большое расстояние).

Астрономам стало известно, что большинство галактик относятся к определенной группе (ее стали называть «кластер»). Млечный путь – часть кластера, который, в свою очередь, состоит из сорока известных галактик. Как правило, большинство таких кластеров представлены частью еще большей группировки, которую называют сверхскоплениями.

Наш кластер – часть сверхскопления, которое принято называть скоплением Девы. Такой массивный кластер состоит больше чем из 2 тыс. галактик. В то время, когда астрономы создали карту расположения данных галактик, сверхскопления начали принимать конкретную форму. Большие сверхскопления собрались вокруг того, что представляется как бы гигантскими пузырями или пустотами. Что это за структура, никто еще не знает. Мы не понимаем, что может находиться внутри этих пустот. По предположению, они могут быть заполнены определенным типом неизвестной ученым темной материи или же иметь внутри пустое пространство. Перед тем как мы узнаем природу таких пустот, пройдет много времени.

Какую форму имеет Млечный Путь?

При изучении галактик Эдвин Хаббл классифицировал их на различные виды эллиптических и спиральных. Спиральные галактики имеют форму диска, внутри которого находятся спиральные рукава. Поскольку Млечный путь имеет форму диска наряду со спиральными галактиками, логично предположить, что он, вероятно, является спиральной галактикой.

В 1930-х годах Р. Дж. Трюмплер понял, что оценки размера галактики Млечный Путь, совершенные Капетином и другими учеными, были ошибочными, поскольку измерения основывались на наблюдениях с помощью волн излучения в видимой области спектра. Трюмплер пришел к выводу, что огромное количество пыли в плоскости Млечного Пути поглощает свет видимого излучения. Поэтому далекие звезды и их скопления кажутся более призрачными, чем они есть на самом деле. В связи с этим, для получения точного изображения звезд и звездных скоплений внутри Млечного Пути, астрономы должны были найти способ видеть сквозь пыль.

В 1950-х годах были изобретены первые радиотелескопы. Астрономы обнаружили, что атомы водорода излучают радиацию в радиоволнах, и что такие радиоволны могут проникнуть сквозь пыль в Млечном Пути. Таким образом, стало возможно увидеть спиральные рукава этой галактики. Для этого использовалась пометка звезд по аналогии с пометками при измерениях расстояний. Астрономы поняли, что звезды спектрального класса O и B могут послужить для достижения этой цели.

Такие звезды имеют несколько особенностей:

• яркость – они весьма заметны и часто встречаются в небольших группах или объединениях;
• тепло – они излучают волны разной длины (видимые, инфракрасные, радиоволны);
• короткое время жизни – они живут около 100 миллионов лет. Учитывая скорость, с которой звезды вращаются в центре галактики, они не перемещаются далеко от места рождения.

Астрономы могут использовать радиотелескопы для точного сопоставления позиций звезд спектрального класса O и B, и, руководствуясь доплеровскими смещениями радиоспектра, определять скорость их движения. После проведения таких операций со многими звездами, ученые смогли выпустить комбинированные радио и оптические карты спиральных рукавов Млечного пути. Каждый рукав назван по имени созвездия, существующего в нем.

Астрономы считают, что движение материи вокруг центра галактики создает волны плотности (области высокой и низкой плотности), такие же, как вы видите, перемешивая тесто на торт электрическим миксером. Полагается, что эти волны плотности вызвали спиральный характер галактики.

Таким образом, рассматривая небо в волнах разной длины (радио, инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые, рентгеновские) с помощью различных наземных и космических телескопов, можно получить различные изображения Млечного Пути.

Что больше, Вселенная или галактика?

Кстати, наша галактика, несмотря на ее размеры, не одинока во Вселенной. Сегодня ученым-астрономам достоверно известно о более чем ста других галактиках.

Некоторые из них расположены сравнительно близко от нашей и могут быть различимы даже невооруженным глазом, как, например, галактика в созвездии Волосы Вероники. Другие можно увидеть только в мощный телескоп обсерватории. Третьи различимы только с орбитальной станции, где атмосфера не препятствует наблюдению за космосом.

Имееет ли галактика бесконечную энергию?

Вселенная, согласно представлениям ученых, бесконечна, и в ней находится бесконечное число галактик. Одни рождаются из облаков раскаленного газа и пыли, другие находятся в таком же состоянии, как и наш Млечный путь. А третьи угасают, исчерпав свою энергию.

Кстати, до сих пор нет единой теории, объясняющей происхождение Вселенной и образование в ней галактик. Возможно, в отдаленном будущем человечество будет обладать этими знаниями. Но пока мы можем только строить об этом самые фантастические догадки.

Количество звезд

Одной из самых уникальных считается галактика Млечный путь. Строение нашей галактики необычно, в ней насчитывается более 400 миллиардов звезд. Примерно четвертая их часть – крупные звезды. К сведению: другие галактики имеют меньшее количество звезд. В Облаке насчитывается около десяти миллиардов звезд, некоторые другие состоят из миллиарда, а в Млечном Пути – более 400 миллиардов самых разных звезд, причем с Земли видна только малая часть, около 3000. Точно сказать, сколько звезд содержится в Млечном Пути, невозможно, так как галактика постоянно теряет объекты из-за их превращения в сверхновые.

Что такое галактика?

Для начала на примере Млечного Пути давайте разберемся что представляют из себя галактики. Итак, галактика — это огромная гравитационно связанная система. В ней содержится порядка 200 миллиардов звезд, а также туманности, темная материя, планеты, облака пыли и газа, а также звездные скопления. Все объекты, находящиеся в галактике, участвуют в движении относительно общего центра масс. В самом сердце галактики находится сверхмассивная черная дыра, которая, кстати, по сообщениям ученых в последнее время ведет себя довольно странно.

Так выглядит центр Млечного Пути

В зависимости от вида, согласно классификации Эдвина Хаббла, каждая галактика имеет свои особенности. Так, Млечный Путь по своей форме в профиль отдаленно похож на “летающую тарелку”. А не так давно ученые выяснили, что наша галактика совсем не плоская, как считалось раньше — оказалось, что Млечный Путь больше напоминает гармошку, так как галактика как будто смята ближе к краям.

Расстояние между галактиками чрезвычайно велико. Так, ближайшая к нам галактика Андромеда располагается на расстоянии 2,5 миллионов световых лет от Земли. Такое расстояние сложно себе представить. Но что находится между галактиками?

Типы и виды неправильных галактик

Хотя неправильные галактики мало походят между собой, принята следующая классификация для их описания:

• Irr I (неправильные галактики I-го типа) – галактики “не совсем неправильные”, то есть имеющие слабовыраженную структуру, однако настолько слабовыраженную, что отнести их к последовательности Хаббла нельзя. При этом неправильные галактики I-го типа обязательно относят к одному из двух подтипов:Sm – имеющие спиральную структуру (также называемые Магеллановы спиральные галактики);Im – не имеющие спиральной структуры.
• Irr II (неправильные галактики II-го типа) – галактики, не имеющие особенностей структуры, позволяющих отнести их к последовательности Хаббла;
• dIrr (карликовые неправильные галактики) – очень небольшие галактики, имеющие малое содержание тяжёлых элементов и большое количество газа. Они считаются достаточно важными для развития теории эволюции галактик, так как они могут представлять собой тусклые голубые галактики, ранее обнаруженные на изображении Hubble Ultra Deep Field, и представляющие одну из задач внегалактической астрономии.

Диски и ореолы

С помощью современных приборов астрономы теперь могут проникнуть в «смог» Млечного Пути, изучая радио- и инфракрасные излучения из отдаленных частей Галактики и достаточно точно определять какая структура нашей галактики. Измерения на этих длинах волн (а также наблюдение за другими галактиками, подобными нашей) дали хорошее представление о том, как бы выглядел Млечный Путь, если бы мы могли наблюдать его состроны.     

Самая яркая часть нашей Галактики состоит из тонкого кругового вращающегося диска звезд, распределенного по региону диаметром около 100 000 световых лет и толщиной около 1 000 световых лет. (Учитывая, насколько тонкий диск, возможно, компакт-диск является более уместным аналогией, чем колесо.) Кроме звезд, пыль и газ, из которых образуются звезды, также находятся в тонком диске Галактики. 

Звезды, газ и пыль не распределяются равномерно по всему диску, а концентрируются в центральной полосе и ряде спиральных рукавов. Последние инфракрасные наблюдения подтвердили, что центральная полоса состоит в основном из старых желто-красных звезд. 

Две главные спиральные мышцы, будто, соединяются с концами бруска. Их выделяет синий свет от молодых горячих звезд. Мы знаем много других спиральных галактик, которые также имеют центральную зрительную концентрацию звезд в центральных областях; по этой причине их называют спиральными. Солнце расположено примерно на полпути между центром Галактики и краем диска и лишь около 70 световых лет над центральной плоскостью.         

Наш тонкий диск с молодыми звездами, газом и пылью заложен в более толстый, но более диффузный диск старых звезд; этот толстый диск простирается примерно на 3000 световых лет выше и ниже средней плоскости тонкого диска и содержит только около 5% столько массы, сколько тонкий диск. 

Близко к галактическому центру (примерно 10 000 световых лет), звезды образуют центральную выпуклость.   

Тот факт, что большая часть выпуклости заслоняется пылью, затрудняет определение ее формы. Долгое время астрономы предполагали, что она сферическая. Однако инфракрасные изображения и другие данные свидетельствуют о том, что выпуклость примерно в два раза длиннее, чем шире, и по форме напоминает арахис. Взаимосвязь между этой вытянутой внутренней выпуклостью и другими звездами остается неопределенной. В самом центре выпуклости находится огромная концентрация вещества, о которой мы поговорим далее.    

В нашей Галактике тонкие и толстые диски и выпуклость встроенные в сферический ореол очень старых, слабых звезд, которые простираются на расстояние не менее 150 000 световых лет от галактического центра. Большинство шаровых скоплений также находятся в этом ореоле.     

Галактика Млечный путь

Масса Млечного Пути распространяется еще дальше на расстояние не менее 200 000 световых лет от центра Галактики. Этой невидимой массе дали название темная материя, поскольку она не излучает света и не может быть видна телескопом. 

Ее состав неизвестен, и ее можно обнаружить только благодаря ее гравитационному воздействию на движение света, которое мы можем увидеть. Мы знаем, что этот обширный ореол темного вещества существует из-за его влияние на орбиты отдаленных скоплений звезд и других карликовых галактик, которые связаны с нашей Галактикой.         

Астрономам очень помогло открытие, что наша галактика не уникальна по своим характеристикам. Во Вселенной есть много других плоских спиралевидных островов звезд, газа и пыли. 

Например, Млечный Путь чем-то напоминает галактику Андромеду, которая находится на расстоянии около 2,3 миллиона световых лет и является нашей ближайшей соседней гигантской спиральной галактикой. Диагностические наблюдения соседних галактик, похожих на нашу, имеют жизненно важное значение для нашего понимания свойств Млечного Пути.    

Квазары

В масштабах всей Вселенной квазары являются самыми интересными и таинственными объектами. Их яркое сияние способно затмить целые галактические системы. Само слово «квазар» переводится как «радиоисточник, похожий на звезду». Астрономы предполагают, что квазары – это активные ядра галактики. Такие виды галактических систем не входят в традиционную классификацию.

По другой версии, квазары представляют собой огромные черные дыры, которые активно поглощают все, что находится в округе. По мере приближения к ним вещества, его скорость растет, а само вещество разогревается. Магнитное поле черной дыры собирает мельчайшие частички в пучки, которые в дальнейшем разлетается от ее полюсов. Третья версия гласит, что квазары – это начальная стадия жизни галактики, то есть человечество видит их фактическое формирование. Какая из этих теорий является максимально правдивой никому не известно, но каждая из них имеет право на существование.

Мощность излучения квазара просто огромна. Она в сотни раз превышает мощность излучения всех звезд в одной галактике. Сложно представить, что объект отдален от человека на несколько миллиардов световых лет, но при этом его можно увидеть в обычный телескоп. За одну единицу времени квазар производи в  10 триллионов раз больше энергии, чем Солнце. А его размер можно сравнить с размером Солнечной системы.

Расстояние до квазаров исчисляются миллиардами световых лет. Для них характерно красное смещение, то есть эти объекты удаляются от Земли. Причем скорость этого удаления достигает фантастических показателей. Ученые предполагают, что скорость квазара 3С196- 200 тыс. км/с (это 2/3 скорости света), а расстояние с ним составляет 12 млрд. световых лет. Для сравнения максимальная скорость движения галактических систем всего несколько десятков тыс. км/с.

Еще одна интересная особенность квазаров – их переменность. Они постоянно меняют свою светимость, что совершенно нехарактерно для галактик. Был зафиксирован случай, когда блеск объекта за один час сменился 25 раз. Исходя из последних наблюдений, выяснилось, что многие квазары находятся около центров огромных эллиптических галактик.

Самый первый квазар был открыт в 1960 г благодаря Мэтью Сэндиджу. Он получил название 3с273. В современном мире квазары во Вселенной определяют по красному смещению их спектра. Если обнаружено такое смещение и при этом объект выделяет огромное количество энергии, его смело начинают именовать квазаром. Сейчас в космическом пространстве их обнаружено около 2-х тысяч. Эти космические объекты изучаются с помощью телескопа Хаббла. Расстояние между Землей и ближайшим квазаром составляет 800 млн. световых лет.

Вид квазара в телескопе Источник

Изучение Солнечной системы

Долгое время человечество было убеждено, что все звёзды и планеты вращаются вокруг Земли. Система мира с неподвижной Землёй в центре была разработана греческим учёным Птолемеем во 2 веке до нашей эры и просуществовала более полутора тысяч лет. 

В 1453 году польский астроном Николай Коперник доказал, что Земля, как и другие планеты (на тот момент их было известно шесть), вращаются вокруг Солнца. Однако вплоть до XVII века церковь считала это учение ересью и боролась с его последователями. 

Одним из них был итальянский монах Джордано Бруно. В 1584 году он опубликовал исследование, в котором утверждал, что Вселенная бесконечна, а Солнце подобно остальным звёздам, просто находится гораздо ближе к Земле. Бруно был схвачен инквизицией и приговорён к сожжению на костре как еретик. 

Другим последователем Коперника стал итальянский учёный Галилео Галилей. Он создал первый телескоп, который позволил увидеть кратеры Луны, пятна на Солнце, открыть четыре спутника Юпитера и установить, что планеты вращаются вокруг своей оси. Чтобы не повторить судьбу Бруно, Галилей был вынужден отречься от своих идей.

В XVII веке немецкий астроном Иоганн Кеплер открыл законы движения планет — ему удалось установить связь между скоростью вращения планеты и её расстоянием от Солнца. Его идеи воспринял знаменитый английский физик Исаак Ньютон, создатель теории всемирного тяготения. 

В XVIII—XIX веках открытия в области оптики позволили создать более мощные телескопы, которые позволили учёным узнать больше о солнечной системе. Были открыты планеты Уран и Нептун. 

В 1951 году Советский Союз вывел на орбиту Земли первый искусственный спутник. С этого момента началась Космическая эра — эпоха практического изучения солнечной системы. 

В 1961 году Юрий Гагарин стал первым человеком, побывавшем в космосе, а в 1969 году космический корабль «Аполлон-11» доставил людей на Луну. 

В 1970-х годах Советский Союз и США запустили несколько десятков аппаратов для исследования Марса, Венеры и Меркурия, а запущенные в 1980-х аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2» позволили получить данные о дальних планетах — Юпитере, Сатурне, Уране, Нептуне и их спутниках. Большую роль в изучении солнечной системы сыграл вывод на орбиту Земли космического телескопа «Хаббл» в 1990 году. 

В нынешнем десятилетии космические агентства разных стран планируют пилотируемый полёт на Марс. Экспедиция на другую планету станет величайшим событием в истории освоения солнечной системы. И всё же пока человечество находится в самом начале пути изучения космоса.

Мы под обстрелом

По мнению ученых, гиперскоростные звезды, находящиеся в нашей галактике, зародились не в ней, а в Большом Магеллановом Облаке. Теоретики не могут объяснить многие моменты, касающиеся существованию подобных звезд. Например, невозможно точно сказать, почему сконцентрировано большое количество гиперскоростных звезд в Секстанте и во Льве. Пересмотрев теорию, ученые пришли к выводу, что такая скорость может развиваться только из-за воздействия на них черной дыры, расположенной в центре Млечного Пути.

В последнее время все больше обнаруживается звезд, которые движутся не из центра нашей галактики. После анализа траектории сверхбыстрых звезд ученым удалось выяснить, что мы находимся под атакой Большого Магелланова Облака.

Место Солнечной системы в галактике Млечный путь

Наше Солнце в галактике Млечный путь расположено между спиральными рукавами Стрельца и Персея. Солнце (а вместе с ним и вся солнечная система) движется со скоростью около 220 км/с, и делает полный оборот вокруг центра Галактики за 200 миллионов лет. Всего за время своего существования (4,5 млрд.лет) Солнце облетело Галактику примерно 30 раз.

Скорость вращения Солнца вокруг центра Галактики практически совпадает с той скоростью, с которой в данном районе движутся спиральные рукава галактики. Такая зона внутри галактики, где скорости звезд и спиральных рукавов совпадают, называется коротационной окружностью и является расчетной “зоной жизни”, т.е. если и есть внутри галактики благоприятные “тихие гавани”, где может развиться жизнь, то это именно коротационная окружность.

Как вы догадались, наше Солнце находится в её пределах.

Характеристика Галактики Млечный путь

Наша Галактика Млечный путь относится к спиральным галактикам с перемычкой. Существует древнегреческая легенда, почему она получила именно такое название. Она рассказывает, что титан Кронос ел новорожденных детей, которых рожала ему Рея. Для матери это было большое горе. После смерти пятого ребенок, мать приняла решение уберечь своего последнего сына – Зевса. Вместо младенца, девушка принесла Кроносу завернутый в одеяльце камень. После того, как титан ощупал сверток, он попросил мать покормить ребенка, так как его вес был слишком мал. Рея брызнула на камень молоко, но оно от него отскочило, и расположилось на небе в виде млечного пути. Когда Зевс вырос, он сверг Кроноса и стал главным среди всех богов.

На сегодняшний день Млечный путь способен поглощать другие галактики. Вокруг галактического пространства расположились многочисленные звездные скопления, которые рано или поздно попадают под его влияние и с помощью гравитационных сил затягиваются в рукава. Специалисты заметили, что сейчас Млечный путь поглощает маленькую галактику, расположившуюся в созвездии Стрельца.

Однако такая особенность у Галактики скоро исчезнет. Сегодня уже наблюдается взаимодействие между Млечным путем и Галактикой Андромеды, которая в 1,5 раза больше него. По мнению великих умов через какое-то время произойдет столкновение двух галактических пространств и Андромеда поглотит Млечный путь.

Характеристика Галактики Млечный путь:

• диаметр примерно 100 тысяч световых лет;
• в составе от 200 до 400 миллиардов звезд;
• звезда Солнце от центра Галактики Млечный путь отдалена на 27 тысяч световых лет;
• скорость вращения Солнечной системы вокруг центра 230 км/с. Чтобы совершить полный оборот вокруг центра требуется 235 млн. лет;
• в совокупности все объекты Млечного пути весят 1,5 триллиона солнечных масс.

Знакомясь с основными характеристиками Галактики, нужно учитывать, что из-за больших размеров, в некоторых расчетах могут быть погрешности.

Размеры и структура

Центральную часть Млечного пути занимает ядро, в составе которого насчитываются миллиарды звезд. Размеры ядра Галактики измерить очень сложно, ученые предполагают, что его протяженность несколько тысяч парсек (1 парсека – 30,86 трлн. км). В центре находится черная дыра. Считается, что через середину Млечного пути проходит перемычка. Ее протяженность оценивают в 27 световых лет. По отношению к нашему Солнцу она находится под углом 44. В составе Галактики преобладают звезды, пыль, газ, созвездия. Более молодые образования отдалены от его центральной части.

Вокруг Млечного пути сосредоточено гало. В нем располагаются звездные скопления и карликовые галактики. Эти образования удерживаются гравитационными силами галактического пространства и вращаются вокруг него. В структуру нашей Галактики входит пять основных рукавов – Лебедь, Центавр, Стрелец, Орион, Персей.

Не менее интересным будет узнать, каковы же размеры нашей Галактики. Проведенные расчеты и исследования говорят, что ее диаметр составляет 100 тыс. световых лет, а ширина 1 тыс. световых лет. Несколько лет назад великие умы Канарского института выдвинули предположение, что размер Галактики Млечный путь может составлять 200 тыс. световых лет. А в 2020 году астрофизики в результате своего нового исследования предположили, что длина диаметра может достигать 1 млн. 900 тыс. световых лет. Однако данные расчеты подтверждены не были и пока остаются только теорией.

Спиральные рукава

Рукав представляет собой элемент галактического пространства, в котором сосредоточена большая часть пыли, газа, молодые звезды и даже звездные скопления. Они являются постоянной зоной галактической системы. Рукава имеются только у спиральных галактик, поэтому их часто называют спиральными. Плюс ко всему их структура закрученная, чем-то похожа на спираль.

Как уже было отмечено, в структуре Галактики Млечный путь насчитывается 5 спиральных рукавов. Все свои названия они получили в честь созвездия, в пределах которого расположены, – Лебедь, Орион, Центавр, Стрелец и Персей. Самый большой интерес вызывает рукав Орион, так как именно в нем находится планета Земля и вся Солнечная система. Именно этот рукав изучен лучше всего, но далеко еще не полностью.

Орион является самым маленьким спиральным рукавом в Галактике. В длину он достигает 11 тыс. световых лет, в толщину – 3,5 тыс. Располагается он примерно между Стрельцом и Персеем.

Обнаружение и имя

У нашей галактики Млечный Путь довольно интересное название, так как туманная дымка напоминает молочный след. Имя имеет древние корни и переведено с латинского «Via Lactea». Это имя фигурирует уже в работе «Тадхира» Насир ад-Дин Туси. Он писал: «Представлена множеством небольших и плотно сгруппированных звезд. Они расположены близко, поэтому кажутся пятнами. Цветом напоминает молоко…». Полюбуйтесь на фото галактики Млечный Путь с ее рукавами и центром (конечно, никто не может сделать фото нашей галактики, однако есть похожие конструкции и точные данные о структуре, на основе которых составляется представление о внешнем виде галактического центра и рукавов).

Художественная интерпретация Млечного Пути, наблюдаемого сверху точки северного полюса.

Ученые думали, что Млечный Путь наполнен звездами, но это оставалось лишь догадкой до 1610 года. Именно тогда Галилео Галилей направляет первый телескоп в небо и видит отдельные звезды. Это также открыло людям новую правду: звезд намного больше, чем мы думали, и они входят в состав Млечного Пути.

Иммануил Кант в 1755 году считал, что Млечный Путь – это коллекция звезд, объединенных совместной гравитацией. Гравитационная сила заставляет объекты вращаться и приплющивает в форме диска. В 1785 году Уильям Гершель попробовал воссоздать галактическую форму, но не догадался, что большая ее часть скрывается за пылевой и газовой дымкой.

Ситуация меняется в 1920-х годах. Эдвин Хаббл сумел убедить, что мы видим не спиральные туманности, а отдельные галактики. Именно тогда появилась возможность осознать форму нашей. С того момента стало ясно, что это спиральная галактика, обладающая перемычкой. Смотрите видео, чтобы изучить структуру галактики Млечный Путь и исследовать ее шаровые скопления и узнать, сколько звезд проживает в галактике.