ЛиК №6. - 2018.

СТРУКТУРЫ ВСЕЛЕННОЙ

Краткий курс: Некоторые аспекты астрономии,касающиеся строения и расположения галактик.

 

Есть вещи, которые человеческому сознанию трудно вообразить. Они связаны со временем и пространством, ибо часто далеко выходят за пределы нашего опыта. Мы смертны – и вечность для нас всего лишь абстрактное понятие. Все наши пути имеют конец, и бесконечность – опять всего лишь слово. Но именно непознаваемость тайн пространства и времени заставляет нас благоговеть перед величием вечной и бесконечной Вселенной.
Наша планета вращается вокруг Солнца в составе Солнечной системы. Солнечная система в свою очередь входит в состав галактики Млечный путь, которую мы наблюдаем на небе как полосу, похожую на разлитое молоко. Это наш космический дом. Он весьма обширен и почти еще не исследован человеком, но он – лишь пылинка, крошечная точка на небе в масштабе всей наблюдаемой вселенной.
Во вселенной существует порядка двух триллионов (!) галактик. Именно галактика – главный герой данной статьи.
Слово галактика (др.-греч. γαλαξίας) происходит от греческого выражения Кύκλος γαλαξίας - «молочное кольцо». Так видели древние нашу Галактику на ночном небе. Кроме нее еще только четыре можно увидеть невооруженным глазом. Это галактика Андромеды (видна в северном полушарии), Большое и Малое Магеллановы Облака (видны в южном; являются спутниками нашей Галактики) и галактика М33 в созвездии Треугольника (видна из северного полушария, на незасвеченном небе).
Однако галактика – это не просто близко расположенные звезды.

С физической точки зрения галактика – это гравитационно-связанная система из звезд, межзвездного газа и пыли, темной материи, планет.

Как устроена галактика?

Центральная часть галактики – это ядро. Выделяются активные ядра – в них происходят процессы, сопровождающиеся выделением большого количества энергии: выбросы струй газа, плазмы, радиоизлучения высокой мощности. Эти процессы обычно связаны со звездообразованием.
В настоящее время принято считать, что в центре активной галактики находится черная дыра, которая и является причиной повышенной интенсивности излучения. На начальном этапе развития активного галактического ядра сверхмассивная черная дыра поглощает окружающее вещество, в результате чего формируется аккреционный диск. Такие активные ядра называются квазарами.
Квазар (англ. quasar) - класс самых ярких в видимой Вселенной астрономических объектов. Английский термин quasar образован от слов quasi-stellar («квазизвездный» или «похожий на звезду») и radiosource («радиоисточник») и дословно означает «похожий на звезду радиоисточник». Мощность излучения квазара может в десятки и сотни раз превышать суммарную мощность всех звезд таких галактик, как наша.
Форма галактик может быть очень разнообразной. В связи с этим выделяют 4 основных типа галактик: эллиптические галактики (E), спиральные галактики (S), линзовидные галактики (S0) и неправильные галактики (Irr). Рассмотрим их строение подробнее.
Эллиптическая галактика (E) обладает четко выраженной сферической (эллипсоидной) структурой и уменьшающейся к краям яркостью. Галактики класса (E) построены из звезд красных и желтых гигантов, красных и желтых карликов и некоторого количества белых звезд не очень высокой светимости. Отсутствуют бело-голубые гиганты и сверхгиганты. У них нет пылевой материи, которая была бы видна как темные полосы на непрерывном фоне звезд.
В связи с четкой эллипсоидной формой эллиптические галактики не имеют такого компонента строения, как галактический диск. У спиральных и линзовидных (дисковых) галактик он есть.
Галактический диск – это плоскость, состоящая из газа, пыли и звезд. Газ и пыль образуют «газовый диск». Звезды образуют «звездный диск».
Еще один характерный компонент галактик классов (S) и (S0) – это балдж.
Балдж (от англ. bulge - «вздутие») – яркая, наиболее плотная центральная часть спиральных и линзообразных галактик.
Размер его колеблется от сотен парсек до нескольких килопарсек. Балдж галактики состоит в основном из старых звезд, движущихся по вытянутым орбитам. Типичное население балджа - красные гиганты, красные карлики, сверхновые, переменные звезды. В центре нередко содержится сверхмассивная черная дыра, и таким образом ядро является частью балджа.
Спиральные галактики часто имеют бар - перемычку из ярких звезд, выходящую из центра и пересекающую галактику посередине. Перемычка есть у Магеллановых Облаков и у нашего Млечного пути.
Еще один структурный элемент спиральных галактик - галактический рукав. В рукавах содержится значительная часть пыли, газа и звезд.
Линзовидные галактики (S0) по своей структуре не отличаются от спиральных, за исключением отсутствия четкого спирального узора. Объясняется это низким содержанием межзвездного газа, а значит, и низким темпом звездообразования.
Для неправильных галактик (Irr) характерна неправильная клочковатая структура. Как правило, в них очень много межзвездного газа, до 50 % от массы галактики.
Выделяются еще карликовые галактики и галактики с полярным кольцом.
Карликовая галактика - небольшая галактика, состоящая из нескольких миллиардов звезд. Эти маленькие галактики часто вращаются по орбите вокруг крупных галактик, таких как Млечный Путь, Андромеда и Галактика Треугольника. Обнаружено 14 карликовых галактик, вращающихся вокруг нашей Галактики.
Галактики с полярным кольцом - редкий тип галактик, в которых внешнее кольцо из газа и звезд вращается над полюсами галактики. Считается, что полярное кольцо образуется, когда две галактики гравитационно взаимодействуют друг с другом. Большинство галактик с полярным кольцом по строению являются линзовидными галактиками.
В связи с гравитационными силами, удерживающими все составляющие галактики вокруг центра притяжения (вероятно, черной дыры) каждая галактика имеет сферический элемент строения или тяготеет к нему. На периферии галактики сферический элемент образует галактическое гало. Гало в основном состоит из разреженного горячего газа, звезд и темной материи, составляющей основную массу галактики.

Как звезды распределены внутри галактики?

Конечно, главная видимая составляющая галактик – это звезды. Свет далеких галактик – это совокупный свет населяющих их звезд. Внутри галактики звезды распределены не равномерно, а образуют звездные скопления.

Звездное скопление — гравитационно связанная группа звезд, имеющая общее происхождение и движущаяся в гравитационном поле галактики как единое целое.

Некоторые звездные скопления кроме звезд также содержат облака газа и/или пыли.
По своей морфологии звездные скопления исторически делятся на два типа - шаровые и рассеянные.
Шаровое звездное скопление (англ. globular cluster) - звездное скопление, содержащее большое число звезд, тесно связанное гравитацией и обращающееся вокруг галактического центра в качестве спутника. В отличие от рассеянных звездных скоплений, которые располагаются в галактическом диске, шаровые находятся в гало. Они значительно старше, содержат гораздо больше звезд, обладают симметричной сферической формой и характеризуются увеличением концентрации звезд к центру скопления.
Поскольку в шаровых скоплениях плотность звезд очень высока, там часто происходят близкие прохождения и столкновения. Следствием этого является большая распространенность в шаровых скоплениях некоторых экзотических классов звезд (например, голубые отставшие звезды, миллисекундные пульсары и маломассивные рентгеновские двойные звезды).
Шаровые скопления - довольно распространенные объекты: на начало 2011 г. в Млечном Пути их открыто 157. Шаровые скопления содержат некоторые из самых ранних звезд, появившихся в галактике. Первое шаровое звездное скопление M 22 было обнаружено немецким астрономом-любителем Иоганном Абрахамом Иле в 1665 г.
Рассеянное звездное скопление (англ. open cluster) представляет собой группу звезд (числом вплоть до нескольких тысяч), образованных из одного гигантского молекулярного облака и имеющих примерно одинаковый возраст (обычно несколько сотен миллионов лет).
Некоторые рассеянные скопления, такие как Плеяды, Гиады или Скопление Альфа Персея, видны невооруженным глазом. Яркое рассеянное звездное скопление Плеяды известно еще со времен античности. Греческий астроном Клавдий Птолемей упоминал в своих записях Ясли, Двойное скопление в Персее и Скопление Птолемея.
При изучении некоторых туманных объектов, описанных Птолемеем, Галилей обнаружил, что они являются не отдельными звездами, а группами из большого количества звезд. В 1609 г. он применил телескоп для наблюдения звездного неба. И тогда стало понятно, что звезды в скоплениях связаны не только визуально, но и физически.
Рассеянные звездные скопления обнаружены только в спиральных и неправильных галактиках, где происходят активные процессы звездообразования. В нашей Галактике открыто более чем 1100 рассеянных скоплений.
Звезды в таких скоплениях связаны друг с другом относительно слабыми гравитационными силами, поэтому по мере обращения вокруг галактического центра скопления могут быть разрушены из-за близкого прохождения возле других скоплений или облаков газа. Так, несколько ярких звезд «ковша» Большой Медведицы - бывшие члены рассеянного скопления, которое превратилось в звездную ассоциацию.

Звездные ассоциации - группировки гравитационно несвязанных или слабосвязанных молодых (до нескольких десятков миллионов лет) звезд, объединенных общим происхождением.

Звездные ассоциации обладают большим, чем скопления, размером (десятки парсек) и меньшей плотностью - от десятков до сотен. Происхождением звездные ассоциации обязаны областям звездообразования комплексов молекулярных облаков.

Что находится между галактиками?

Галактики не имеют четких границ. Нельзя точно сказать, где кончается галактика и начинается межгалактическое пространство.

Межгалактическое пространство - часть космоса, расположенная между галактиками. В межгалактическом пространстве практически нет материи, и по своему составу оно очень близко к абсолютному вакууму.

Межгалактическое пространство заполнено крайне разреженным ионизированным газом со средней плотностью менее 1 атома водорода на 1 дм³. Температура межгалактического газа составляет порядка десяти миллионов градусов. Нагревание обуславливается такими факторами, как звездный ветер и электромагнитное излучение черных дыр. В межгалактическом пространстве имеется межгалактическая пыль.

Межгалактическая пыль (англ. Intergalactic dust) - космическая пыль в межгалактическом пространстве.

Размер частиц космической пыли составляет от нескольких молекул до 0,2 мкм. 60 тонн космической пыли каждый день оседает на планете Земля.

Какие самые большие
структуры во вселенной

Как и отдельные звезды внутри галактик, галактики в межгалактическом пространстве распределены неравномерно. Они образуют скопления галактик – одни из самых больших структур во вселенной.

Скопления галактик - гравитационно-связанные системы галактик, достигающие в диаметре десятков миллионов световых лет.

Скопления условно разделяются на два вида – регулярные и иррегулярные.
• регулярные - скопления правильной сферической формы, в которых преобладают эллиптические и линзовидные галактики, с четко выраженной центральной частью. В центрах таких скоплений расположены гигантские эллиптические галактики. Пример - скопление Волос Вероники.
• иррегулярные - скопления без определенной формы, по количеству галактик уступающие регулярным. В скоплениях этого вида преобладают спиральные галактики. Пример - скопление Девы.
Самый большой тип объединения галактик – сверхскопление. Оно включает в себя тысячи галактик. Размеры сверхскоплений достигают сотен миллионов световых лет. В пределах 1 млрд св. лет находится около 100 сверхскоплений.
Скопления галактик разделены областями, в которых практически нет светящейся материи. Такие области называются войдами.

Войд (англ. void «пустота») - пространство между галактическими нитями, в котором почти отсутствуют галактики и скопления. Наиболее крупные космические пустоты именуются супервойдами.

Войды впервые были обнаружены в 1977 г. Стефаном Грегори и Лаярдом А. Томпсоном в Национальной обсерватории Китт Пик, а также Я. Эйнасто, М. Йыэвээром и Э. Таго из Тартуской астрофизической обсерватории. Предполагается, что войды содержат темную материю.

Темная материя - гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействует с ним.

Одно из предполагаемых свойств темной материи – способность притягивать барионную материю, то есть материю в обычном понимании, вещество. Предполагается, что потоки темной материи расположены сетевидно во вселенной, и галактические скопления формируются вдоль них в виде галактических нитей.
Галактические нити (англ. Filament - нить, волокно) - крупнейшие наблюдаемые космические структуры во Вселенной в форме нитей из галактик со средней длиной в 50-80 мегапарсек (163—260 млн св. лет), лежащие между войдами. Галактические нити заполнены очень горячим (миллионы и десятки миллионов градусов) и очень разряженным (1-10 атомов на м3) газом. Примеры - сверхскопление Волос Вероники и сверхскопление Рыси-Большой Медведицы.
Нити и пустоты могут образовывать протяженные относительно плоские локальные структуры, которые получили название «стены». Таковы, например, Великая стена CfA2, Великая стена Слоуна, Великая Южная стена, Великая стена Геркулес - Северная Корона. Сами названия этих немыслимых структур отражают их величие и грандиозность.

Каково место Земли в бесконечности вселенной?

Солнце вместе со всеми планетами Солнечной системы – это одна из звезд галактики Млечный путь.
Название Млечный Путь – это калька с лат. via lactea «молочная дорога», которое, в свою очередь, калька с др.-греч. ϰύϰλος γαλαξίας «молочный круг». По древнегреческой легенде, Зевс подложил своего сына Геракла спящей Гере, чтобы тот напился божественного молока и стал бессмертным. Гера, проснувшись, увидела, что кормит не своего ребенка, и оттолкнула его от себя. Брызнувшая из груди богини струя молока превратилась в Млечный Путь.
Млечный путь относится к спиральным галактикам с перемычкой. Диаметр Галактики составляет около 30 тыс. парсек (100 000 световых лет, 1 квинтиллион км). По современной оценке галактика содержит 200-400 млрд. звезд. Их основная масса расположена в форме плоского диска.
На расстоянии 8,5 килопарсек от нашей Солнечной системы находится галактический центр. В нем до сих пор происходят процессы звездообразования. В центре расположено ядро, когда-то давшее начало конденсации нашей звездной системы.
Бурные процессы происходят также в спиральных рукавах Млечного пути. Они образуют мощное излучение, губительное для всего живого. К счастью, наша планета существует в сравнительно спокойном месте Галактики и в течение сотен миллионов лет не подвергалась воздействию этих космических катаклизмов. Возможно, именно поэтому на Земле смогла родиться и сохраниться жизнь.
Вместе с другими звездами Солнце вращается вокруг центра Галактики со скоростью 220-240 км/с, делая один оборот примерно за 200 мл. лет. Таким образом, за все время существования Земля облетела вокруг центра Галактики не более 30 раз.
Предполагается, что около 10 млрд. лет назад Млечный Путь слился с крупной галактикой Гайя-Энцелад, что привело к образованию толстого диска и придало ему надутую форму. Такие столкновения возможны и впредь. По одной из моделей, через 4 млрд. лет Млечный Путь поглотит Большое и Малое Магеллановы Облака, а через 5 млрд. лет сам будет поглощен Туманностью Андромеды.
Млечный путь входит в Местную группу галактик (Local Group) - гравитационно связанную группу галактик, включающую также галактику Андромеды (M31), галактику Треугольника (М33) и еще более 50 галактик. Поперечник Местной группы составляет порядка одного мегапарсека. Местная группа движется к Сверхскоплению Паруса со скоростью 50 км/сек.
Вместе с рядом других небольших групп галактик Местная группа входит в состав Местного листа - плоского облака галактик радиусом около 7 Мпк (23 млн св. лет). В состав Местного листа входят двенадцать гигантских галактик, образующих кольцо радиусом примерно 3,75 Мпк (12,2 млн. св. лет). Эту группировку называют «Советом гигантов». Местная группа расположена вблизи ее центра.
Местный лист в свою очередь входит в состав Местного сверхскопления галактик – галактической нити, в которой главную роль играет скопление Девы.
Таким образом, наш точный космический адрес для инопланетных друзей будет выглядеть так: Вселенная, сверхскопление Девы, Местный лист, Местная группа, галактика Млечный путь, Солнечная система, планета Земля.
Стремление к систематизации и классификации всегда было присуще человеческому уму. Однако оно не является его изобретением. Само мироздание являет себя наблюдателю в структурированном виде – от химических элементов до крупномасштабных структур вселенной. Строение галактик и их расположение в пространстве – один из ярких тому примеров.

© 2015 Научно-аналитический журнал "Личность и Культура».    При цитировании ссылка на журнал "Личность и Культура" обязательна.