Астраномія. Галактикі

Панорама Галактики

Галактика Чумацький Шлях (або просто Галактика) - гігантська зоряна система, в якій знаходиться Сонячна система, всі видимі неозброєним оком окремі зірки, а також величезна кількість зірок, які зливаються разом і спостерігаються у вигляді чумацького шляху. Чумацький Шлях - одна з численних галактик Всесвіту. Є спіральною галактикою з чотирма рукавами і перемичкою типи SBb за класифікацією Хаббла, і разом з галактикою Андромеди (M31) і галактикою Трикутника (М33), а також декількома десятками менших галактик-супутників утворює Місцеву групу галактик, яка, в свою чергу, входить до Надскупчення Діви.

Комп'ютерна модель Галактики: вид «зверху»

Галактика Чумацький Шлях являє собою величезну сплюснутую систему, симетричну відносно головної площини і складається з більш ніж 150 млрд. Зірок, розрідженого газу, пилу і космічних променів. Діаметр Галактики становить близько 30 кпк (100 тис. Св. Років). Найважливішими елементами структури Галактики є сферична складова, центральне згущення (балдж), зоряно-газово-пиловий диск, спіральні рукави (гілки).

Схема будови Галактики

У середній частині Галактики знаходиться потовщення (балдж), що становить близько 5 кпк в поперечнику. Центр Галактики при спостереженні з Сонячної системи проектується в сузір'я Стрільця. У галактичної площини зосереджена велика кількість міжзоряного пилу, завдяки якій світло, що йде від галактичного центру, послаблюється в 1012 разів. Тому центр невидимий в оптичному діапазоні. Галактичний центр спостерігається в радіо-, ІЧ, рентгенівському і гамма-діапазонах. Маса центрального скупчення становить приблизно 109ℳ☉. Your browser does not support the video tag.

будова Галактики

Ядра галактик є центрами їх конденсації і початкового зореутворення. Там повинні знаходитися найстаріші зірки. По всій видимості, в самому центрі ядра Галактики знаходиться надмасивна чорна діра (Стрілець А *) масою близько 3,7 × 106ℳ☉, що показано дослідженням орбіт прилеглих зірок. У напрямку до центру Галактики, а також у міру наближення до її площині зоряна щільність зростає і в центрі становить 105-106 зірок в ПК3, при цьому в околиці Сонця зоряна щільність всього 0,12 ПК3.

Центр Галактики в ІК діапазоні

Зоряний диск містить основну кількість зірок Галактики. У диску Галактики знаходиться Сонце і практично всі зірки, що спостерігаються неозброєним оком. В екваторіальній площині диска концентруються наймолодші об'єкти Галактики - зірки ранніх спектральних класів О і В, класичні цефеїди, наднові другого типу, пил і газ. Всі ці об'єкти утворюють найбільш тонкий диск (плоску складову Галактики) товщиною 100-200 пк. Старі зірки і пов'язані з ними планетарні туманності утворюють товщий диск. Товщина всього зоряного диска становить 500-600 пк.

рукава Галактики

Галактика належить до класу спіральних галактик, що означає, що Галактика має спіральні рукави (гілки), розташовані в площині диска. Саме в рукавах знаходяться наймолодші об'єкти (масивні концентрації газу і молодих зірок) зоряного диска Галактики. Сферична складова включає старі зірки і кульові зоряні скупчення, оточені дуже розрідженим гарячим слабо намагніченим газом. Гало Галактики - невидимий компонент Галактики сферичної форми, який простягається за видиму частину Галактики. В основному складається з розрідженого газу, зірок і темної матерії. Остання становить основну масу Галактики.

бульбашки Фермі

У 2010-му році в результаті спостережень в гамма-діапазоні за допомогою космічного телескопа ім. Фермі (Fermi Gamma-ray Space Telescope) над і під ядром Галактики відкриті бульбашки Фермі (названі на честь телескопа) - гігантські (діаметр кожного близько 25 тис. Св. Років) області простору, що випускають електромагнітне випромінювання в рентгенівському (ближче до ядра Галактики) і гамма-діапазонах (на периферії). Бульбашки Фермі утворюються в результаті зменшення довжини хвилі випромінювання при розсіянні фотонів на рухомих електронах (зворотне комптонівське розсіювання), що викидаються чорною дірою, що знаходиться в ядрі Галактики. Your browser does not support the video tag.

бульбашки Фермі

Сонце розташоване в рукаві Оріона на 20-25 пк вище площині симетрії нашої Галактики і віддалене від центру на відстань 7,5-8 кпк (26000 св. Років). Для орієнтації серед об'єктів Галактики прийнята галактична система координат. Положення об'єктів в цій системі небесних координат задається галактичних довготою λ і широтою β.

Близькі до Сонця зірки рухаються разом з ним перпендикулярно до напрямку на центр Галактики. Цей рух є наслідком загального обертання Галактики, швидкість якого змінюється з відстанню від її центру (диференціальне обертання). Таке обертання має такі особливості: 1. Обертання відбувається за годинниковою стрілкою, якщо дивитися на Галактику з боку її північного полюса. 2. Кутова швидкість обертання зменшується в міру віддалення від центру. Однак це спадання повільніше, ніж якби обертання зірок навколо центру Галактики відбувалося за законами Кеплера. 3. Центральна частина диска в області балджа обертається майже твердотільних, і тому лінійна швидкість обертання зростає пропорційно відстані аж до максимального значення близько 250 км / с. 4. Сонце і зірки в його околиці роблять повний оборот навколо центру Галактики приблизно за 240-250 млн. Років. Орбітальна швидкість Сонця дорівнює 217 км / с. 5. Маса Галактики може бути оцінена з умови, що рух об'єктів відбувається по кривій, близькій до кола. З умови рівності центростремительного прискорення на відстані r = 15 кпк і гравітаційного, обумовленого масою, укладеної всередині радіусу r, отримуємо масу Галактики: ℳGalaxy = v2r / G ≈ 3 × 1041 кг ≈ 1011ℳ☉.

Крива обертання зірок Галактики

З усієї видимої маси Галактики приблизно 98% відсотків припадає на маси зірок і близько 2% - на газ, пил та інші складові. Таким чином, в результаті спостережень встановлено, що зірки обертаються навколо центру Галактики з постійною швидкістю в великому діапазоні відстаней від центру галактики, причому набагато швидше, ніж очікувалося, якби вони знаходилися в потенціалі Ньютона. Проблема обертання галактик - це невідповідність між спостерігаються швидкостями обертання матерії в дискових частинах спіральних галактик і передбаченнями класичної динаміки, що враховують тільки видиму масу. В даний час вважається, що це невідповідність видає присутність «темної матерії», яка пронизує Галактику і простягається до галактичного гало.

Відповідно до сучасних уявлень, Галактика утворилася приблизно через 400 тис. Років після Великого Вибуху з повільно обертаються газової хмари, за своїми розмірами перевершував її сучасні розміри в десятки разів. Спочатку воно складалося з суміші 75% водню і 25% гелію (по масі) і майже не містило важких елементів.

Your browser does not support the video tag.

еволюція Галактики

Протягом приблизно мільярда років ця хмара вільно стискалося під дією сил гравітації. Колапс неминуче призвів до фрагментації і початку процесу зореутворення. Спочатку газу було багато, і він перебував на великих відстанях від площини обертання. Виникли зірки першого покоління, а також кульові скупчення. Їх сучасний розподіл (гало) відповідає первісному розподілу газу, близькому до сферичного. Найбільш масивні зірки першого покоління швидко проеволюціоніровалі і збагатили міжзоряне середовище важкими елементами (головним чином за рахунок спалахів наднових). Та частина газу, яка не перетворилася в зірки, продовжувала свій процес стиснення до центру Галактики. Через збереження моменту кількості руху, її обертання ставало швидше, утворився диск, і в ньому знову почався процес зореутворення. Друге покоління зірок виявилося більш багатим важкими елементами. Газ, що залишився стиснувся в більш тонкий шар, в результаті чого виникла плоска складова - основна область сучасного зореутворення.

Концепція темної (чи прихованої) матерії (маси) (Cold Dark Matter) Всесвіту заснована на необхідності пояснення ряду спостережуваних астрофізичних ефектів: розподілу швидкостей зірок в Галактиці, гравітаційного лінзування випромінювання віддалених об'єктів темними гало (сферичними складовими) галактик, віриалів парадоксу, формування великомасштабної структури Всесвіту і ін. Скупчення галактик виявляють таку особливість: для багатьох з них маса, певна за швидкостями власного руху галактик в скупченні, оказії ється помітно більша за масу, певної по загальній світності галактик. Масу скупчення, певну на основі теореми вириала, називають віриалів. Відповідно до теореми вириала для пов'язаної стаціонарної системи, частини якої взаємодіють один з одним за законом 1 / r, кінетична енергія такої системи дорівнює половині модуля її потенційної енергії. Для частки масою m, що звертається по круговій орбіті навколо центральної маси ℳ: Eкін = ½ | Eграв | = Mv2 / 2 = Gℳm / (2R). Якщо відомі розмір скупчення R і дисперсія швидкостей галактик v, то можна отримати оцінку віриалів маси скупчення: ℳvt ≈ v2R / G. Інший спосіб визначення маси скупчення полягає в тому, що повну спостережувану світність скупчення множать на стандартне відношення маса / світність, знайдене незалежно для окремих галактик. Таке ставлення різному для галактик різних типів, але якщо відомо, що в даному скупченні переважають галактики якогось певного типу, то сумарну масу цих галактик таким способом дійсно можна оцінити. Виявляється, що сумарна маса галактик менше віриалів маси скупчення (віриалів парадокс): ℳvt> ℳL. Для вирішення віриалів парадоксу, пояснення кривих диференціального обертання галактик і деяких інших явищ необхідна наявність в галактиках і їх скупчення значних мас прихованого (темного, тобто не світиться) речовини. За сучасними даними середня щільність спостережуваного речовини становить 3 × 10-31 г / см3, а середня щільність Всесвіту на два порядки більше (10-29 г / см3). На відміну від звичайного баріонів «світиться» речовини, під темною розуміється матерія, яка не бере участі у електрослабкої взаємодії (тобто, зокрема, не випускає і не поглинає електромагнітне випромінювання), і присутність якої можна знайти тільки по гравітаційними ефектами. В даний час передбачається, що на частку звичайної баріонів матерії доводиться не більше 5% щільності Всесвіту. Приблизно половину баріонів матерії складають світяться об'ёкти (видима матерія) - зірки, міжзоряні газопилові хмари, планети. Темна баріонів матерія - це макроскопічні об'єкти гало галактик (Massive Astrophysical Compact Halo Objects, MACHO): маломасивні зірки (коричневі карлики), дуже масивні юпітероподобние планети, остиглі білі карлики, нейтронні зірки і чорні діри. Близько 23% щільності Всесвіту складає темна матерія, носії якої мають небаріонної природу. Залежно від швидкостей частинок розрізняють гарячу і холодну темну матерію. Гаряча темна матерія складається з частинок, що рухаються зі швидкістю, близькою, мабуть, з нейтрино. Холодна темна матерія повинна складатися з масивних повільно рухаються ( «холодних») частинок або згустків речовини. Експериментально такі частинки поки не виявлені. В якості кандидатів на роль холодної темної матерії виступають слабо взаємодіють масивні частинки (Weakly Interactive Massive Particles, WIMP): Аксион, Фотину, гравітіно і ін. (Додатково про темної матерії см. В розділі 7.3.12 ).

Неозброєним оком в безмісячну ніч на небі видно тільки три об'єкти, які не належать нашій Галактиці - Туманність Андромеди, Велике та Мале Магелланові Хмари (два останніх видно тільки в південній півкулі). Кожен з цих об'єктів є окремою галактику.

Туманність Андромеди

Туманність Андромеди - спіральна галактика типу Sb. Ця найближча до Чумацького Шляху надгігантський галактика знаходиться на відстані 2,54 млн. Св. років від Сонячної системи. Її протяжність складає 260 тис. Св. років, що в 2,6 рази більше, ніж у Чумацького Шляху. За сучасними даними, в її склад входить близько трильйона зірок.

Велика Магелланова Хмара

Велика Магелланова Хмара (БМО) - карликова галактика типу SBm, розташована на відстані близько 168 тис. Св. років від нашої Галактики. Вона займає область неба південної півкулі в сузір'ях Золотої Риби і Столовою Гори і на наших широтах ніколи не видно. БМО приблизно в 20 разів менше по діаметру, ніж Чумацький Шлях і містить близько 5 млрд. Зірок. Мала Магелланова Хмара - карликова галактика типу SBm, супутник Чумацького Шляху. Знаходиться на відстані близько 200 тис. Св. років в сузір'ї Тукана. Містить тільки 1,5 млрд. Зірок.

Мала Магелланова Хмара

Найближча до Сонячної системи галактика (відстань 25 тисяч св. Років) - це карликова галактика в сузір'ї Великого Пса (CMa Dwarf), що складається всього з 1 млрд. Зірок. Приблизно через 5 млрд. Років має відбутися зіткнення галактик Чумацький Шлях і Туманність Андромеди. Як і при всіх подібних зіткненнях, через малу концентрації речовини в галактиках і крайньої віддаленості об'єктів один від одного малоймовірно, що об'єкти на зразок зірок дійсно зіткнуться. Якщо це припущення вірне, то зірки і газ Туманності Андромеди стануть видні неозброєним поглядом приблизно через 3 млрд. Років. Якщо зіткнення станеться, то галактики, швидше за все, зіллються в одну велику галактику. В даний час відомо, що Туманність Андромеди наближається до Чумацького Шляху зі швидкістю близько 300 км / с, але чи відбудеться зіткнення або галактики просто розійдуться, поки точно не відомо. По крайней мере, навіть якщо не відбудеться зіткнення самих дисків, гало темної матерії двох галактик зіткнуться. Your browser does not support the video tag.

зіткнення галактик