Галактики. Вселенная

В 20-х гг. XX в. было установлено, что объекты, называвшиеся ранее эллиптическими и спиральными туманностями, находятся за пределами нашей Галактики и являются самостоятельными звездными системами — галактиками (по числу входящих в них звезд они не уступают нашей звездной системе). Изучение строения галактик, их распределение и движение в пространстве имеет решающее значение для понимания законов эволюции всей части наблюдаемой нами Вселенной.







Число галактик, доступных наблюдениям в крупнейшие телескопы, достигает десятков миллиардов. Несмотря на исключительное многообразие внешнего вида, большинство галактик все же можно объединить в несколько основных типов: эллиптические, спиральные, неправильные.

К эллиптическим галактикам относятся те, которые имеют вид кругов или эллипсов. Их яркость плавно уменьшается от центра к периферии. Никакой внутренней структуры у этих галактик нет. Наблюдения показывают, что эти галактики не вращаются, в них очень мало газа и пыли. Массы самых крупных эллиптических галактик достигают 1013 Мʘ.

Спиральные галактики состоят из ядра и нескольких спиральных рукавов, или ветвей. У обычных спиральных галактик эти ветви отходят непосредственно от ядра. У пересеченных спиральных галактик ядро пересекается по диаметру поперечной полосой — перемычкой (баром). От концов этой перемычки и начинаются спиральные ветви. Так, одна из ближайших к нам звездных систем, туманность Андромеды, является спиральной галактикой, а галактика NGC1300 — спиральная галактика с перемычкой (рис. XIX, XVIII на цветной вклейке). Считают, что наша Галактика похожа на туманность Андромеды.

Спиральные галактики вращаются, в них много газа и пыли, которые концентрируются к плоскости галактики в спиральных рукавах, в них много молодых горячих звезд спектральных классов О и В. Эти звезды возбуждают свечение диффузных газовых туманностей, разбросанных вместе с пылевыми облаками вдоль спиральных ветвей. Обилие газовых пылевых облаков и присутствие в них голубых звезд спектральных классов О и В говорят об активных процессах звездообразования, происходящих в спиральных рукавах этих галактик. Массы спиральных галактик составляют от 1010 до 1012 Мʘ.

К неправильным галактикам относятся те, у которых отсутствует четко выраженное ядро и не обнаружена вращательная симметрия. Примерами неправильных галактик служат Большое Магелланово Облако и Малое Магелланово Облако — самые близкие к нам галактики, видимые невооруженным глазом в южном полушарии неба, вблизи Млечного Пути. Эти две галактики являются спутниками нашей Галактики.

Специальный класс галактик представляют взаимодействующие галактики. Обычно это двойные галактики, между которыми наблюдаются светлые перемычки, «хвосты» и т. д.

Активные галактики и квазары. В ядрах некоторых галактик происходят бурные процессы, такие галактики получили название активных галактик. Так, в галактике М87 в созвездии Девы наблюдается яркий выброс вещества со скоростью около 3000 км/с, масса этого выброса составляет примерно 105 Мʘ. Эта галактика оказалась мощным источником радиоизлучения.

Радионаблюдения галактик показали, что большинство из них являются слабыми источниками радиоизлучения, основная доля их излучения приходится на свет звезд галактики. Однако существуют такие галактики, радиоизлучение которых не только сравнимо, но и значительно превышает их оптическое излучение. Эти галактики получили название радиогалактик. На рисунке XVI показана фотография одной из мощнейших радиогалактик Центавр А. На фотографии видно, что галактика пересечена мощной полосой поглощающего вещества.

Анализ свойств радиоизлучения показывает, что оно вызывается облаками горячей плазмы, выброшенной из ядра галактики. Облака горячей плазмы движутся со скоростью, близкой к скорости света.

Еще более мощными источниками радиоизлучения являются квазары, полное название которых — квазизвездные (почти звездообразные) радиоисточники. Примером такого источника является ближайший к нам квазар С273 в созвездии Девы. Его светимость достигает 1012 Lʘ. Светимости большинства квазаров в десятки и сотни раз превышают светимости обычных галактик. Квазары являются также мощными источниками инфракрасного, рентгеновского и гамма-излучения. А вот размеры квазаров оказались небольшими, около 1 а. е., т. е. всего лишь в десятки раз больше размеров Солнечной системы. Тщательные исследования показали, что квазары представляют собой активные ядра галактик, структура которых пока недоступна современной технике наблюдений.

По современным представлениям, в ядрах галактик, как и в ядре нашей Галактики, находятся массивные черные дыры. Поэтому наиболее разработанной моделью квазара является модель с массивной черной дырой, расположенной в центре определенного типа галактик с высокой звездной плотностью. Длительное и мощное энерговыделение может быть полностью объяснено выпадением вещества галактики на черную дыру. Масса такой черной дыры составляет около 108 Мʘ, а ее радиус 3 · 108 км. Находясь в центре галактики с высокой звездной плотностью, такая черная дыра может захватывать целые звезды. Для обеспечения наблюдаемой светимости квазаров достаточно, чтобы черная дыра захватывала хотя бы одну звезду в год. При высоких плотностях звезд в ядрах галактик такие частые захваты звезд черной дырой вполне реальны.

В обычных галактиках плотности звезд в ядре невелики, поэтому такие захваты звезд редки, и мы не видим проявлений большой активности у обычных галактик.

Скопления галактик. Известно, что диаметр нашей Галактики достигает почти 30 кпк (100 000 св. лет), диаметр галактики Андромеды (М31) — 40 кпк. Расстояние от нас до туманности Андромеды составляет 670 кпк (2 млн св. лет), следовательно, превышает диаметры крупных галактик почти в 20 раз. Среднее же расстояние между звездами примерно такое же, как между Солнцем и звездой а Центавра, т. е. около 275 000 а. е., и больше диаметра Солнца (1,5 · 106 км = 0,01 а. е.) примерно в 27,5 млн раз. Таким образом, галактики значительно теснее сближены в пространстве, чем звезды между собой.

Систематические исследования распределения галактик по небу показали, что наряду с отдельными галактиками наблюдаются скопления галактик. Так, наша Галактика, туманность Андромеды, Большое и Малое Магеллановы Облака и еще несколько звездных систем образуют Местную группу, в которую входят 35 галактик. Галактики Местной группы связаны общим тяготением и движутся вокруг общего центра масс.

Сейчас известно около 4000 скоплений галактик, в которых насчитываются сотни и тысячи звездных систем. В среднем диаметры скоплений близки к 8 Мпк (26 млн св. лет). Одним из наибольших является скопление галактик в созвездии Волосы Вероники. Оно находится на расстоянии около 70 Мпк от нас. В этом богатом скоплении насчитывается около 40 000 галактик.

Наш Млечный Путь вместе с Местной группой галактик расположен на окраине скопления галактик, центр которого находится в созвездии Дева.

Красное смещение в спектрах галактик и закон Хаббла. Свет галактик в основном представляет собой суммарный свет миллиардов звезд и газа. Для изучения физических свойств галактик астрономы используют методы спектрального анализа света.

Наблюдения показывают, что линии в спектрах всех известных галактик смещены к красному концу спектра. Это явление было названо красным смещением. При этом отношение смещения спектральной линии Δλ = λ – λ0 к длине волны λ0 оказалось для всех линий одинаковым в спектре данной галактики. Отношение

где λ0 длина волны спектральной линии, наблюдаемой в лаборатории, характеризует красное смещение.

Общепринятая в настоящее время интерпретация этого явления связана с эффектом Доплера, согласно которому смещение спектральных линий вызвано движением (удалением) излучающего объекта (галактики) со скоростью υ по направлению от наблюдателя. При малых красных смещениях (z << 1) скорость объекта может быть найдена по формуле Доплера:

где с = 3 · 105 км/с — скорость света.

После того как по красному смещению были найдены расстояния до галактик, известный астроном Э. Хаббл установил интересную зависимость, названную законом Хаббла: скорости удаления галактик возрастают прямо пропорционально расстоянию до них:

υ = Hr.                      (17.2)

В этой формуле коэффициент пропорциональности Н называется постоянной Хаббла. Ее числовое значение зависит от выбранных единиц измерения. Если в законе Хаббла скорость выражена в километрах в секунду, а расстояние — в мегапарсеках, то постоянная Хаббла Н = 75 км/(с · Мпк).

Используя закон Хаббла, удается измерить расстояния до галактик по их красному смещению.

Так, самый близкий к нам квазар 3C273 имеет красное смещение z = 0,158. Это означает, что он удаляется от нас со скоростью υ = cz = 3 · 105 · 0,158 = 47 400 (км/с). Из закона Хаббла следует, что расстояние до него r = υ/H = 632 Мпк = 2 млрд св. лет.

Самые большие объекты во Вселенной — галактики представляют собой гигантские звездные острова, похожие и не похожие на наш Млечный Путь. По спектрам галактик установили, что они разбегаются от нас со скоростью, пропорциональной расстоянию до галактики.

Строение и эволюция Вселенной

Наука, изучающая строение и эволюцию Вселенной, называется космологией (от греческих слов космос — мир, Вселенная и логос — учение).

Большое значение для развития современных представлений о строении и развитии Вселенной имеет общая теория относительности, созданная А. Эйнштейном (1879— 1955). Она обобщает теорию тяготения Ньютона на большие массы вещества и скорости его движения, сравнимые со скоростью света. Действительно, в галактиках сосредоточена колоссальная масса вещества, а скорости далеких галактик и квазаров сравнимы со скоростью света. Согласно общей теории относительности, гравитационное взаимодействие передается с конечной скоростью, равной скорости света. (В теории Ньютона считается, что гравитационное взаимодействие передается мгновенно.)

Общая теория относительности накладывает определенные ограничения на геометрические свойства пространства, которое уже нельзя считать евклидовым. Согласно этой теории, движение и распределение материи в пространстве нельзя рассматривать в отрыве от геометрических свойств пространства и времени.

Расширяющаяся Вселенная. Впервые космологическую модель Вселенной в рамках общей теории относительности рассмотрел советский математик А. Фридман. Он показал, что Вселенная, однородно заполненная веществом, должна быть нестационарной, и исходя из этого объяснил наблюдаемую картину разбегания галактик. Он показал, что в зависимости от средней плотности вещества Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. При расширении Вселенной скорость разбегания галактик должна быть пропорциональна расстоянию до них — вывод, который подтвердил Хаббл открытием красного смещения в спектрах галактик.

Критическое значение плотности вещества, от которой зависит характер его движения:

где G — гравитационная постоянная, а Н — постоянная Хаббла.

Помня, что 1 пк = 3,08 · 1013 км и поэтому 1 Мпк = 3,08 · 1019 км, найдем Н = 2,4 · 10-18 с-1. Тогда согласно формуле (17.3) критическая плотность вещества:

или

ρкр = 10-29 г/см3.

Если средняя плотность Вселенной больше критической (ρ > ρкр), то в будущем расширение Вселенной сменится сжатием, а при средней плотности, равной или меньшей критической (ρ ≤ ρкр), расширение не прекратится.

Средняя плотность вещества, сосредоточенная в виде звезд в галактиках, равна приблизительно 2 · 10-30 кг/см3, что почти в 5 раз меньше критической.

Но делать выводы о бесконечном расширении Вселенной пока преждевременно, так как некоторые астрономы высказывают предположение о существовании в галактиках вещества, которое пока еще не обнаружено. Эта «скрытая масса» может изменить оценку принятой сейчас средней плотности вещества во Вселенной. Поэтому точного ответа на вопрос о будущем Вселенной в настоящее время не имеется.

Радиус Вселенной легко оценить с помощью закона Хаббла. Так как максимальная скорость не может превышать скорости света, то максимальное расстояние R, до которого мы можем наблюдать небесные тела, соответствует скорости разбегания галактик υ = с = 3 · 105 км/с, откуда

или R = 1,24 · 1026 м.

Возраст Вселенной. Если наблюдения пока не позволяют нам с определенностью сказать о характере будущего расширения Вселенной, то оценить, когда в прошлом это расширение началось, можно с помощью закона Хаббла. Действительно, если наблюдаемая нами галактика удаляется со скоростью и и сейчас после «начала» расширения находится на расстоянии r от Земли, то свое удаление она начала в момент

Эти рассуждения применимы для любой галактики. Таким образом, около 13 млрд лет назад все вещество метагалактики было сосредоточено в небольшом объеме и плотность вещества была настолько высокой, что ни галактик, ни звезд не существовало. Пока не ясны ни физические процессы, протекавшие до этого сверхплотного состояния вещества, ни причины, вызвавшие расширение Вселенной. Ясно одно, что со временем расширение привело к значительному уменьшению плотности вещества и на определенном этапе расширения стали формироваться галактики и звезды.

Некоторые видят в наблюдаемом разбегании галактик аналогию с разлетом вещества во время взрыва, поэтому описанная теория расширения Вселенной получила название теории Большого взрыва, а время (13 млрд лет), прошедшее с начала этого взрыва, называют возрастом Вселенной.

Модель «горячей Вселенной». В 1968 г. было обнаружено излучение, которое не связано ни с одним известным источником радиоизлучения. Оно идет со всех сторон и похоже на излучение абсолютно черного тела. Это микроволновое излучение имеет максимум на длине волны λmax = 1 мм, что, согласно закону смещения Вина, соответствует температуре излучения 2,7 К. В прошлом, на ранних этапах эволюции Вселенной, плотность и температура этого излучения были существенно выше. Таким образом, в прошлом не только плотность, но и температура вещества были очень высокими. Так, например, когда возраст Вселенной был всего несколько секунд, температура вещества и излучения была десятки и сотни миллионов кельвинов. Конечно, ни о каких галактиках и звездах в этот период говорить не приходится. Они образовались значительно позднее, когда температура и плотность вещества стали ниже. Так как наблюдаемое микроволновое излучение с температурой 2,7 К связано с горячим веществом на ранних этапах эволюции Вселенной, то излучение получило название реликтового (оставшегося от прошлых эпох), а модель расширяющейся Вселенной называют моделью «горячей Вселенной».

Домашнее задание:
I. Учить §§ 125, 126.
II. Ответить на вопросы:
1. Перечислите основные типы галактик
2. Что такое красное смещение?
3. С помощью какого эффекта объясняют красное смещение в спектрах галактик?
4. Сформулируйте закон Хаббла.