Галактики

Наука, изучающая движение и строение небесных тел, их систем и Вселенной в целом, называется астрономией, а наука, изучающая происхождение и развитие небесных тел называется космогония. Расстояния между космическими объектами измеряются, при помощи: парсека (пс), астрономической единицы (а.е.) и светового года (с.г.). Парсек – это сокращенное сочетание слов параллакс и секунда, он равен 3,086·10¹³ км. Годичный параллакс – это угол, под которым видно с расстояния парсека большую полуосьземной орбиты, расположенной перпендикулярно лучу зрения. Астрономическая единица – это расстояния между центрами Земли и Солнца, оно равно 150 млн. км. Световой год – это расстояние, которое свет проходит за один год, оно равно 9,46·10¹² км. Соотношения между ними имеет вид:

1 пс=206265 а.е.=3,263 с.г.=3,086ּ10¹³км.

Созвездие Проксима находится от нас на расстоянии 1,31 пс, а Альфа Центавра – 1,33 пс, известная, самая яркая звезда, Сириус (Альфа Большого Пса) находится на расстоянии 2,66 пс.

До формирования, галактики представляют собой медленно вращающееся газовое облако. Под действием гравитации облака сжимаются. При сжатии, скорость вращения возрастает. Так формируются газовые диски и от них в разных точках образуются звезды галактики. Зоны активного звездообразования в Галактике Млечного пути – это созвездия Ориона и спиральные рукава Галактики, где имеются плотные газовые облака.

Американский астроном Эрвин Хаббл в 20-е годы ХХ века установил, что все туманные пятна являются галактиками. Первый каталог туманностей и звездных скоплений в 1781 году описал французский астроном Шарль Мессе. В настоящее время во Вселенной обнаружены галактики разных типов, их число около десяти триллионов (10¹³).

Эрвин Хаббл разделил галактики, по внешнему виду на четыре типа: спиральные (60%), линзообразные (22%), эллиптические (14%) и неправильные (4%).

Масса Галактики Млечного пути (ГМП)равна М_Г=2·10¹¹·Мс (М_С=2∙10³⁰ кг). Греческое слово галактика означает млечное, т.е. молочное. Диаметр ГМП Д_Г=30 кпс, а диаметр ядра ГМП Д_ЯГ=2 кпс. Ядро ГМП находится в направлении созвездия Стрельца. Нейтральный водород галактики излучает радиоволны, длиной 21 см. Индукция магнитного поля ГМП равна около 10^–10 Тл.

В эллиптических галактиках имеются звезды - сверхгиганты с массой 10¹³М_с. На небе ночью видна яркая белесоватая полоса – это и есть наша ГМП. Английский астроном Уильям Гершель установил, что протяженность ГМП порядка 25 кпс. Солнечная система находится между двумя рукавами, на расстоянии 10 кпс от центра ГМП.

Предполагают, что наша Галактика образовалось 13 млрд. лет назад. Молодые звезды имеют больше тяжелых элементов, чем старые. Астрономы, определяют их возраст по «жирности» линии железа на спектре источника излучения. Из распределения звезд ГМП по небу следует, что они образуют круговой диск размером около 3000 пс. Среднее расстояние между звездами в нашей Галактике примерно 3 пс. Отсюда число звезд в ГМП, равное около 100 млрд. ГМП имеет спиралевидную форму.

От далеких звезд ГМП свет идет до Земли десятки тысяч лет. Для земного наблюдателя спиральные ветви экваториального пояса ГМП проецируются в виде светлой полосы Млечного Пути, составляющего основу Галактики. Другие галактики видны в телескоп, как небольшие туманные пятна. Среднее расстояния между галактиками примерно 2 млн. световых лет.

В ГМП осталось около 5% газа, который, в основном, сконцентрирован в нескольких спиральных рукавах Галактики. В галактике Стрельца обнаружен мощный источник радиоизлучения. Предполагают, что галактика имеет массивную черную дыру. Ядра массивных галактик выбрасывают вещество со скоростью 600 км/с.

В 1923 г. Эрвин Хаббл открыл в галактике Андромеды несколько переменных звезд и цефеид. По периодам колебания блеска цефеиды, он определил расстояния до них – 22 млн. световых лет. Так было установлено, что спиральная туманность М31 – галактика Андромеды, находится вне нашей галактики.

В тридцатые годы ХХ века Эрвин Хаббл подсчитал, что число галактик до 20-й звездной величины равно 1283 и нашёл, что на один квадратный градус на небесной сфере приходится в среднем 131 галактика. Небесная сфера содержит 41253 квадратных градусов, поэтому общее число галактик до 20 звездной величины равно 5,4 млн. Хаббл, пришёл к выводу, что галактики распределены в пространстве почти равномерно.

Галактики, излучающие радиоволны называют радиогалактиками, например, галактика Лебедь-А в созвездии Лебедя. Механизм нетеплового радиоизлучения галактик ученые объяснили так: реликтовые излучения, двигаясь в сильных магнитных полях по воронке, генерируют радиоволны разных частот.

Около 3 млн. лет назад от галактики М82 в созвездии Большой медведицы с огромной скоростью было выброшено вещество объемом в 6 млн. солнечных масс. Взрыв произошел с выбросом энергии в 10⁵⁸ эрг, эквивалентным одновременной вспышке 10 млн. сверхновых звезд.

Американский астроном К. Сейферт, в 1943 году открыл активные спиральные галактики. Он описал 12 таких галактик (галактики Сейферта). Сейчас известно 100 таких объектов. Из ядра галактики Сейферта выбрасывается огромное количество газов в виде непрерывной струи или отдельных компактных облаков. В 1963 году советский астроном Б. Е. Маркарян выделил 600 галактик (галактики Маркаряна) с повышенной долей излучения в УФ области. Ученные связывали активность ядер галактики Маркаряна, с взрывами в их ядрах.

Скопление галактик. Галактики образуют группы и скопления. Скопление галактик бывает рассеянным и шаровым. Например, на расстоянии около 20 Мпс, в созвездии Девы, находится ближайшее к нам гигантское скопление галактик. Радиус этого скопления около 11 Мпс. Другое скопление находится в созвездии Волосы Вероники на расстоянии 130 Мпс и состоит примерно из 40 тысяч галактик.

Ближайшее к нам скопление галактик – это Местная группа галактик, в которое входит около 30 галактик, в том числе наша Галактика. Диаметр Местной группы галактик около 3 Мпс. Ближайшая к нам галактика – это Большие и Малые Магеллановы облака. Они видны невооруженным глазом в Южном полушарии неба. Расстояние до них 50 кпс.

Самая большая галактика в Местной группе галактик – это галактика Андромеды. Она находится в северном полушарии неба, видна невооруженным глазом. Расстояние до нее 500 кпс. Андромеда – это самая яркая спиралевидная галактика. В галактике Андромеды обнаружено около 300 шаровых звездных скоплений, наблюдались вспышки более 200 новых звезд и одной сверхновой. Галактика Андромеды имеет четыре спутника - карликовые эллиптические галактики.

Местная группа галактик, как одно целое, движется в пространстве среди соседних с нею галактик. Они связаны между собою физически и общностью происхождения.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое парсек и чему он равен?

2. Какое соотношение имеется между световым годом и астрономической единицей?

3. Каким образом формируются галактики?

4. Кто и когда описал первый каталог туманностей и звездных скоплений?

5. Сколько галактик обнаружено в настоящее время во Вселенной?

6. Кто разделил галактики, по внешнему виду, спиральные (60%), линзообразные (22%), эллиптические (14%) и неправильные (4%)?

7. Какой массой обладает галактика Млечного Пути?

8. Кто установил протяженность галактики Млечного Пути и чему она равна?

9. На каком расстоянии находится Солнечная система от центра галактики?

10. Сколько миллиардов лет назад образовалось наша Галактика?

11. Сколько звёзд имеет галактика Млечного Пути?

12. Какую форму имеет галактика Млечного Пути?

13. Чему равно среднее расстояния между галактиками?

14. Кто и когда открыл в галактике Андромеды, нескольких переменных звезд и цефеидов?

15. Сколько галактик приходится в среднем на один квадратный градус небесной сфере?

16. Сколько общее число галактик до 20 звездной величины во Вселенной?

17. Кто и когда открыл активные спиральные галактики, т.е. галактики Сейферта?

18. В какой области излучают галактики Маркарян?

19. Чему равен радиус ближайшего к нам гигантского скопления галактик?

20. Сколько галактик имеется в скоплении, находящихся в созвездии Волосы Вероники?

21. Сколько галактик содержит скопления Местная группа галактик?

22. На каком расстоянии находится галактики Магелланового облака?

23. На каком расстоянии находится галактики Андромеда?

Звезды

Каждая звезда – это массивный газовый шар, состоящий в основном из водорода и гелия, излучающий электромагнитные волны. Почти 98% масса звезд состоит из водорода и гелия, причем водорода в 3 раза больше по массе, чем гелия. Ближайшая к нам звезда – это Солнце. Другая самая близкая к нам звезда – это Проксима в созвездие Центавра. Она находится на расстоянии 4 световых лет. Астрономы характеризуют звезды по массам, размерам, плотностям, светимостям и по химическому составу.

Масса Солнца равна Мс=2·10³⁰ кг. Масса других звезд находится в интервале от 0,1Мс до 100Мс. Радиус Солнца Rс=700 тысяч км. Встречаются очень маленькие звезды – Белые карлики и крошечные нейтронные звезды диаметром от 10 км до 20 км. Есть звезды, размерами во много раз больше Rc, их называют гигантами. Например, Бетельгейзе, Арктур, Антарес и др. Звезды гиганты и так называемые Красные гиганты редко встречаются. Радиус звезд определяют по формуле: R=R_C•(T_C/T)²• ( / ), где R_C, T_C и L_C относится к Солнцу, а R, T и L относится к звезде (T – температура, а L -светимость).

Средняя плотность Солнца равна ρ_с=1,4 г/см³. Белые карлики значительно плотнее, чем Солнце: ρ_Б.К.=5000 г/см³. Рекорд по плотности держат нейтронные звезды: ρ_Н.З.=10¹⁴ г/см³, так как эта плотность близка плотности атомных ядер. Такую плотность можно получить, если весь Земной шар сжать до размера 500 м. Фантастической плотностью обладают черные дыры: ρ_ч.д.=10⁹⁴ г/см³.

Звезды также различаются по светимостям. Светимость – это количество световой энергии, ежесекундно выделяемой звездой. Светимость Солнца Lc=3,8·10²⁶ Вт (4·10³³ эрг/c). Светимость других звезд находится в интервале от 0,001·Lc до 10⁶·Lc.

Источником энергии звезд является ядерная реакция, «протон-протонного» цикла, в ходе которого водород превращения в гелий. А в случае сверхновых звезд, источником энергии является ядерная реакция превращение трех атомов гелия в углерод. Если водород иссякнет, тогда силы тяготения сожмут звезду в маленький плотный шар.

В этом мире звезды, как и все тела, рождаются, функционируют и «гибнут». Звезды меньшей массы очень экономно тратят запасы своего ядерного «топлива», и могут, светиться десятки миллиардов лет. Массивные звезды не экономно расходуют «топливо». Например, звезды с массой 15·Мс, расходуют запасы своей энергии всего за 10 миллионов лет. Звезды, такие как Солнце, могут «жить» от 10 до 20 миллиардов лет. В период функционирования, звезды сохраняют размер и температуру без изменения.

В случае превращения всего водорода в гелий, размер звезды увеличивается. Это происходит потому что, во-первых - последняя порция водорода в центре звезды горит очень интенсивно и создает огромное давление, во-вторых – гелиевая система плохо проводит тепло наружу и внутренняя часть сильно нагревается. Звезда, расширяясь, становится Красным гигантом. Красные гиганты долго не «проживают». Их продолжительность «жизни» около 10 миллионов лет. После того как во внутренней части реакция потухает, вещество Красного гиганта испытывает гравитационное сжатие. При быстром сжатии, температура в центральной части повышается до 100 миллионов градусов. При этой температуре, «загораются» ядерные реакции превращения гелия в углерод. Происходит взрыв, и огромное количество энергии вместе с внешними слоями Красного гиганта выбрасываются в космос. Из внутренних частей Красного гиганта загорается Сверхновая звезда.

Когда в Сверхновой звезде весь гелий превращается в углерод и в другие тяжелые химические элементы, ядерная реакция потухает. При этом система будет испытывать гравитационное сжатие. Сверхновая звезда превратится в медленно, остывающий Белый карлик.

Звезды с массой более 1,4·Мс, не могут остановить свое сжатие на стадии Белого карлика. Мощные силы гравитации сожмут их до «нейтронизации» вещества и образуются Нейтронные звезды. Если масса звезды превышает 5·Мс, в результате гравитационного коллапса, звезда превращается в Черную дыру.

Эволюция звезд. Звездообразование началось от 3 до 30 миллионов лет после «Большого взрыва». Судьба звезд зависит от их массы. 1. Мз=Мс. Звезда после расходования водорода превращается в Белый карлик. 2. Мз<1,4Мс. Звезда после расходования водорода превращается в Красный гигант. Затем она превратится в Сверхновую звезду, а из нее в Белого карлика или в Нейтронную звезду. 3. Мз<5Мс. Звезда превратится в Красный гигант, затем в Сверхновую звезду, затем в Нейтронную звезду. 4. Мз>5Мс. Звезда после расходования водорода превратится в Черную дыру.

Звезды с массой 30Мс «проживают» несколько миллионов лет. При Мз=0,5Мс они «проживают» до 100 миллиардов лет. Газопылевое облако с массой 0,08Мс при гравитационном сжатии сильно не нагревается и превращается в Коричневый карлик, т.к. излучает слабое инфракрасное излучение. Планету Юпитер можно отнести к числу Коричневых карликов, т.к. он излучает энергии больше, чем получает от Солнца.

Масса звезды, равная Мз=1,2Мс, называется пределом Чандрасекара. Если Мз<Мч, тогда сжатие звезды останавливается за счет давления электронов, обусловленного принципом Паули. Объект становится Белым карликом. Спустя один миллиард лет, он превращается в Черный карлик. Если Мз>Мч, тогда в ходе сжатия звезда сильно нагревается до 100 миллионов градусов. При этой температуре, начинается ядерная реакция превращения гелия в углерод и происходит вспышка Сверхновой звезды. В конце своей «жизни» Сверхновая звезда испытывает сжатие, она быстро сжимается при массе 1,4Мс<Мз<2Мс и может проскакивать состояние Белого карлика, превращаясь в Нейтронную звезду. Если Мз>2Мс, то силы сжатия так велики, что, проходя уровни Белого карлика и Нейтронной звезды, Сверхновая звезда превращается в Черную дыру.

Вопросы для самоконтроля

1. Из чего состоят звезды?

2. Какая звезда самая ближайшая к нам, кроме Солнца, на каком расстоянии она находится?

3. По каким параметрам астрономы, характеризуют звезды?

4. Какой массой обладает Солнце?

5. В каком интервале масс находятся массы звёзд?

6. Чему равен радиус Солнца?

7. Какие звезды гиганты знаете?

8. Сколько километров может быть диаметр нейтронных звёзд?

9. Что представляет собой звёзды, так называемые «Красные гиганты»?

10. Чему равна средняя плотность Солнца?

11. Какой плотностью обладают звёзды, так называемые «Белые карлики»?