Галактики

Алан-э-Дейл       28.06.2022 г.

Самые далекие галактики

Среди астрофизиков, посвятивших свою творческую деятельность исследованию далеких галактик, выделяется сотрудник Калифорнийского университета в Беркли X. Спинрад. Ему принадлежат открытия не одной сверхдальней галактики. Первоначально Спинрад в 1975 году обнаружил галактику-рекордсменку в северном направлении от звездного скопления Плеяды, находящуюся от нас на расстоянии 8 млрд световых лет. Эта галактика числится в звездном каталоге за номером ЗС 123. Она имеет самый сильный уровень радиоизлучения, превышающий силу такого излучения других гигантских галактик примерно в 6 раз.
В очередной серии наблюдений в 1984г. Спинрад обнаружил ряд радиогалактик, среди которых оказались самые далекие из известных науке.

Более или менее четкое изображение очередной галактики-рекордсменки по дальности получили совсем недавно. Расстояние до нее составляет 12 млрд световых лет.
Открытия все новых сверхотдаленных галактик происходят отнюдь не случайно. Они чаще всего являются плодом многолетней целенаправленной работы не одной группы астрономов. Об этом свидетельствует открытие в последнее время еще одной из наиболее отдаленных галактик с видимой звездной величиной 20 ,19.

Галактика-рекордсменка была обнаружена вблизи квазара PKS 1614+051 со значением красного смещения Z = 3,209. Световое излучение от нее было испущено тогда, когда Вселенная была в три раза моложе, чем сейчас.

Шаги на пути изучения Вселенной

Современная карта Вселенной позволяет нам не только определить свое местоположение в космосе. Сегодня, благодаря наличию мощных радиотелескопов и техническим возможностям телескопа Хаббл, человек сумел не только приблизительно подсчитать количество галактик во Вселенной, но и определить их типы и разновидности. Еще в 1845 году британский астроном Уильям Парсонс, с помощью телескопа исследуя облака газа, сумел выявить спиралевидную природу строения галактических объектов, акцентируя внимания на том, что в разных областях яркость звездных скоплений может быть большей или меньшей.

Сто лет назад Млечный Путь считался единственной известной галактикой, хотя математически было доказано наличие других межгалактических объектов. Свое название наш космический двор получил еще в глубокой древности. Древние астрономы глядя на мириады звезд на ночном небе, заметили характерную особенность их расположения. Основное скопление звезд было сосредоточено вдоль мнимой линии, напоминающей дорожку из разбрызганного молока. Галактика Млечный Путь, небесные светила другой хорошо знакомой галактики Андромеда являются самыми первыми вселенскими объектами, с которых началось изучение космического пространства.

Звездные соседи

Вместе с тем, Млечный Путь, как и Андромеда с Треугольником, являются только малой частью Вселенной, входящей в местную группу сверхскопления под названием Дева. Наша галактика имеет форму спирали, где основная масса звездных скоплений, облака газа и другие космические объекты двигаются вокруг центра. Диаметр внешней спирали составляет 100 тыс. световых лет. Млечный Путь — по космическим меркам не большая галактика, масса которой составляет 4,8х1011 Mʘ. В одном из рукавов Ориона Лебедя находится и наше Солнце. Расстояние от нашей звезды до центра Млечного Пути составляет 26 000 ± 1 400 св. лет.

Место расположения Солнца в Галактике

Долгое время считалось, что одна из самых популярных среди астрономов туманность Андромеды является частью нашей галактики. Последующие исследования этой части космоса дали неопровержимые доказательства того, что Андромеда является самостоятельной галактикой, причем значительно крупнее, чем Млечный Путь. Полученные с помощью телескопов снимки показали, что Андромеда имеет собственное ядро. Здесь также присутствуют скопления звезд и имеются свои туманности, двигающиеся по спирали. Каждый раз астрономы пытались все глубже и глубже заглянуть внутрь Вселенной, исследуя обширные области космического пространства. Количество звезд в этом вселенском гиганте оценивается в 1 триллион.

Стараниями Эдвина Хаббла удалось установить примерное расстояние до Андромеды, которая никак не могла быть частью нашей галактики. Эта была первая галактика, которая подверглась такому пристальному изучению. Последующие годы дали новые открытия в области исследования межгалактического пространства. Более тщательно изучалась та часть галактики Млечный Путь, в которой находится наша Солнечная система. С середины XX века стало ясно, что помимо нашего Млечного Пути и хорошо известной Андромеды, в космосе имеется огромное количество других образований вселенского масштаба. Однако для порядка требовалось упорядочить космическое пространство. Если звезды, планеты и другие космические объекты поддавались классификации, то с галактиками дело обстояло сложнее. Сказывались огромные размеры исследуемых областей космического пространства, которые не только было трудно изучить визуально, но и оценить на уровне человеческой природы.

Туманность Андромеды

Галактические вычисления

Эдвин Хаббл является основоположником галактических исследований. Он первый, кому удалось определить, как можно вычислить точное расстояние до галактики. В своих исследованиях он опирался на метод пульсирующих звезд, которые более известны как цефеиды. Ученый смог заметить связь между периодом, который нужен для завершения одной пульсации яркости, и той энергией, которую выделяет звезда. Результаты его исследований стали серьезным прорывом в области галактических исследований. Помимо этого, он обнаружил, что есть корреляция между красным спектром, излучаемым галактикой, и расстоянием до нее (постоянная Хаббла).

В наше время астрономы могут измерять расстояние и скорости галактики посредством измерения количества красного смещения в спектре. Известно, что все галактики Вселенной движутся друг от друга. Чем дальше галактика находится от Земли, тем больше ее скорость движения. 

Чтобы визуализировать данную теорию, достаточно представить себя за рулем авто, который двигается на скорости 50 км в час. Перед Вами едет авто быстрее на 50 км в час, что говорит о том, что скорость его передвижения составляет 100 км в час. Перед ним есть еще одно авто, которое движется быстрее еще на 50 км в час. Несмотря на то что скорость всех 3 машин будет разной на 50 км в час, первый автомобиль на самом деле движется от Вас на 100 км в час быстрее. Поскольку красный спектр говорит о скорости движения галактики от нас, получается следующее: чем больше красное смещение, тем, соответственно, галактика быстрее движется и тем большее ее расстояние от нас. 

Сейчас мы располагаем новыми инструментами, помогающими ученым в поисках новых галактик. Благодаря космическому телескопу Хаббла ученым удалось увидеть то, о чем раньше оставалось только мечтать. Высокая мощность этого телескопа обеспечивает хорошую видимость даже мелких деталей в ближних галактиках и позволяет изучать более дальние, которые никому еще не были известны. В настоящее время новые инструменты наблюдения космоса находятся в стадии разработки, а в скором будущем они помогут получить более глубокое понимание структуры Вселенной. 

Типы галактик в соответствии с принятой классификацией

Хаббл первый решился на такой шаг, сделав в 1962 году попытку логическим путем классифицировать известные на тот момент галактики. Классификация осуществлялась на основании формы исследуемых объектов. В результате Хабблу удалось расставить все галактики по четырем группам:

  • наиболее распространенным типом являются спиральные галактики;
  • далее следуют эллиптические спиральные галактики;
  • с перемычкой (бар) галактики;
  • неправильные галактики.

Следует отметить, что наш Млечный Путь относится к типичным спиральным галактикам, однако есть одно «но». С недавнего времени выявлено наличие перемычки — бара, который присутствует в центральной части образования. Другими словами наша галактика берет свое начало не с галактического ядра, а вытекает из перемычки.


Млечный путь с перемычкой

Традиционно спиральная галактика выглядит в форме диска спиралевидной плоской формы, в котором обязательно присутствует яркий центр – ядро галактики. Таких галактик больше всего во Вселенной и обозначаются они латинской буквой S. Помимо этого существуют разделение спиральных галактик на четыре подгруппы – So, Sa, Sb и Sc. Маленькие буквы обозначают наличие яркого ядра, отсутствие рукавов или наоборот, наличие плотных рукавов, охватывающих центральную часть галактики. В таких рукавах располагаются скопления звезд, группы звезд, в состав которых входит наша Солнечная система, прочие космические объекты.

Спиральная галактика

Главной особенностью этого типа является медленное вращение вокруг центра. Млечный Путь совершает полный оборот вокруг своего центра за 250 млн. лет. Спирали, расположенные ближе к центру состоят в основном из скоплений старых звезд. Центр нашей галактики – это черная дыра, вокруг которой и происходит все основное движение. Протяженность пути по современным оценкам составляет по направлению к центру 1,5-25 тыс. световых лет. В процессе своего существования спиральные галактики могут сливаться с другими вселенскими образованиями меньших размеров. Свидетельством таких столкновений в более ранние периоды является наличие гало звезд и гало скоплений. Подобная теория лежит в основе теории образования спиральных галактик, которые стали результатом столкновения двух галактик, расположенных по соседству. Столкновение не могло пройти бесследно, придав общий вращательный импульс новому образованию. Рядом со спиральной галактикой находится карликовая галактика, одна, две или сразу несколько, являющиеся спутниками более крупного образования.

Галактики с перемычкой

С перемычкой галактики встречаются значительно реже. На них приходится примерно половины всех спиральных галактик. В отличие от спиральных образований, в таких галактиках начало берется из перемычки, называемой баром, вытекающей из двух самых ярких звезд, расположенных в центре. Ярким примером такого образования является наш Млечный Путь и галактика Большое Магелланово Облако. Ранее это образование относили к неправильным галактикам. Появление перемычки является на данный момент одной из основных областей исследования в современной астрофизике. По одной из версий, близко расположенная черная дыра высасывает и поглощает газ из соседних звезд.

Самые красивые галактики во Вселенной относятся к типу спиральных и неправильных галактик. Одной из самых красивых является галактика Водоворот, расположенная в небесном созвездии Гончие Псы. В данном случае отчетливо видны центр галактики и спирали, вращающиеся в одном направлении. Неправильные галактики представляют собой хаотически расположенные сверхскопления звезд, не имеющие четкой структуры. Ярким примером такого образования является галактика под номером NGC 4038, расположенная в созвездии Ворон. Здесь наряду с огромными газовыми облаками и туманностями можно увидеть полное отсутствие порядка в расположении космических объектов.

Галактика Водоворот

В ней полно черных дыр

Когда-то в галактике Андромеды имелось 9 известных черных дыр, но фактическое их число выросло до 35 в 2013 году. Астрономы провели наблюдение за 26 новыми кандидатами в черные дыры, что сделало галактику одной из самых густонаселенных подобными объектами. Большинство из этих новых черных дыр обладают массой, в 5-10 раз превосходящей массу нашего Солнца. Семь черных дыр расположены на расстоянии примерно в 1000 световых лет от галактического центра.
Астрономы уверены, что в будущем они смогут обнаружить в этой галактике еще больше таких объектов. Например, в 2017 году было обнаружено еще две новые черные дыры. Тогда же было отмечено, что оба объекта находятся в самой опасной из когда-либо документированной близости. Их разделяет расстояние всего в 0,01 светового года, что примерно равно паре сотен расстояний от Земли до Солнца. По оценкам экспертов, эти черные дыры могут столкнуться друг с другом менее чем через 350 лет, слившись в одну сверхмассивную черную дыру.

Как доказать бесконечность Вселенной?

Космология Джордано Бруно

Джордано Бруно стал одним из первых, кто попытался ответить на вопрос: бесконечна ли Вселенная с точки зрения философии — и доказать это в своих трактатах: «Пир на пепле», «О бесконечном, Вселенной и мирах». Однако его аргументы пересекались с теологией и основывались на божественном начале:

  1. Первое доказательство: принцип полноты. Если бог, сотворивший Вселенную, всемогущ и бесконечен, то и Вселенная бесконечна.
  2. Второе доказательство: принцип отсутствия основания. Если бог сотворил мир в одной точке пространства, то сотворил его в и в другой.
  3. Третье доказательство: вне Вселенной ничего нет, поэтому ничто не может её ограничить.

Эти выводы Бруно приводил с точки зрения философии и теологии, поэтому они имеют не научное, а культурное и историческое значение. Современная же наука хочет ответить на вопрос: бесконечна ли Вселенная с точки зрения математики и философии.

Памятник Джордано Бруно в Италии

Современная космология. Расширяющаяся Вселенная

На данный момент учёные доказали, что правильная модель Вселенной — расширяющаяся Вселенная, а не стационарная, как считалось столетиями до XX века. Это открытие совершил Эдвин Хаббл на основании эффекта Доплера (красное смещение).

Величина красного смещения пропорциональна расстоянию — чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Все галактики имеют красное смещение. Это означает, что все они удаляются от нас. Следовательно, Вселенная расширяется.

Красное смещение: принцип действия

Однако долгое время считалось, что Вселенная стационарна. Главная теория, на которой строится современная космология, — Общая Теория Относительности, — предполагает, что Вселенная стационарна.

Теоретически доказать обратное смог Александр Фридман, что после экспериментально подтвердил своим открытием Эдвин Хаббл.

Модели Фридмана

На основе ОТО Альберта Эйнштейна Александр Фридман сделал два предположения:

  • Вселенная выглядит одинаково при наблюдении в любом направлении;
  • Это справедливо при наблюдении из любой точки пространства;

Благодаря этим предположениям были созданы модели Вселенной, которые можно разделить на два типа:

  1. Если средняя плотность вещества меньше или равна определённому критическому значению, то идея бесконечности Вселенной подтвердится. В этом случае её сегодняшнее расширение будет продолжаться вечно.
  2. Если средняя плотность больше критической, то создаваемое веществом гравитационное поле заставит Вселенную замкнуть саму себя. Она будет конечной, но неограниченной, как сферическая поверхность. Затем гравитационные поля остановят расширение Вселенной и заставят её перейти в состояние сингулярности.

Критическая плотность пропорциональна квадрату параметра Хаббла. Если взять значение 15 км/с на миллион световых лет, получится критическая плотность, равная 5×10^30 грамм на кубический сантиметр, или три атома водорода на тысячу литров космического пространства.

Современные модели Вселенной (космологические теории)

Ускорение расширяющейся Вселенной

Вселенная не просто расширяется — она расширяется с ускорением. Это открытие было сделано в конце 1990-х Солом Перлмуттером, Брайаном П. Шмидтом и Адамом Риссом при наблюдении сверхновых типа Ia. Яркость взрыва этих звёзд практически неизменна, поэтому по яркости света с Земли можно определить расстояние, на котором взрыв произошёл.

Другой способ определения расстояния — эффект Доплера (красное смещение). Результаты должны быть одинаковы, однако расстояние, вычисленное при помощи сверхновых Ia, превышало значение, определённое по методу красного смещения. Единственным объяснением было то, что Вселенная расширяется с ускорением.

На данный момент исследования в области космологии продолжаются. Одни учёные защищают бесконечность времени и пространства вселенной, другие — конечность. Но каким образом можно доказать истинность той или иной точки зрения?

Наиболее популярная модель нашей Вселенной, включающая темную энергию. Первые 6-7 млрд. лет галактики двигались с замедлением, далее вышли на равномерное, а затем ускоренное движение.

Галактика Андромеды и Млечный путь

Из всех известных нам галактик туманность Андромеды изучена лучше других. Мы знаем такие подробности о строении этого “звездного острова”, которые известны, вероятно, далеко не всем его разумным обитателям.

Туманность Андромеды – исполинская звездная спираль с поперечником в 50 кпк, спираль, которую мы видим не плашмя и не “с ребра”, а, так сказать, вполоборота. Примерно так же выглядит оттуда, из туманности Андромеды, наша Галактика, наш Млечный Путь.

Сходство двух галактик большое. Из огромных центральных шарообразных сгущений преимущественно желтых карликовых звезд – ядер галактик – выходят исполинские спиралеобразные звездные ветви. На великолепных недавно полученных цветных фотографиях туманности Андромеды, в отличие от желтоватого центрального ядра, ее ветви выглядят голубоватыми. Так и должно быть – в ядре в основном сосредоточены желтые звезды типа нашего Солнца, а зато силуэт, очертания спиральных ветвей создаются горячими голубовато-белыми звездами-гигантами.

Внутри туманности Андромеды и вокруг нее найдено около 170 шаровых звездных скоплений, очень похожих на принадлежащие нашей Галактике аналогичные объекты. Есть в соседней галактике и рассеянные звездные скопления, и газовые туманности, и облака мельчайшей твердой космической пыли. Последними вызваны многочисленные темные “провалы” на общем светящемся звездном фоне, хорошо различимые на фотоснимках туманности Андромеды.

Как и в нашей звездной системе, звезды туманности Андромеды обращаются вокруг ее ядра. Когда говорят о вращении подобной галактики, не следует понимать этот термин чересчур упрощенно. Галактики, подобные туманности Андромеды, не вращаются как единое целое, например, как патефонная пластинка. Однако нельзя движение звезд полностью уподоблять и движению планет Солнечной системы.

Действительность находится между этими двумя крайностями – вращением твердого тела и “кеплеровским” обращением планет. В Галактике угловая скорость вращения убывает с увеличением расстояния от центра, о медленнее, чем по законам Кеплера. Такова лишь общая картина вращения спиральных галактик. Детали же ее очень сложны и до конца не выяснены.

Объем Юпитера в 1300 раз больше объема Земли

фото: NASA/Wikimedia Commons

Но не нужно лететь очень далеко, чтобы понять, насколько ничтожна Земля. Юпитер — самая большая планета в Солнечной системе — имеет объем в 1300 раз больше , чем у нашей планеты. А еще на Юпитере бушует буря, известная как Большое красное пятно, которое в 2-3 раза больше нашей планеты!

Тем не менее Юпитер — ничто по сравнению с Солнцем, которое более чем в 1000000 раз больше Земли и составляет от 99,8 до 99,9% массы всей Солнечной системы. Каждое утро, когда встает солнце, вспоминайте о масштабах этого небесного объекта, который, между прочим, по сравнению с некоторыми другими известными звездами сам не представляет собой ничего особенного…

Виды и классификация

Галактика не имеет чётких границ, поэтому точно понять, где они заканчиваются, и начинается межгалактическое пространство невозможно. В самой космической системе имеются планеты, туманности, звёзды, звёздные скопления. Но они есть и вокруг систем. Учёные различают следующие формы космических систем:

  1. Эллиптическая. Эллиптический звёздный остров относятся к первому классу. Его особенностью является отсутствие рукавов, диска, центрального ядра. По большому счёту он является балджем огромного размера, состоящим из галактической сферы неправильной (вытянутой) или идеально круглой, шарообразной формы. Звёздный состав эллиптических систем включает старых красных гигантов или красных, жёлтых карликов. Массивных, активных светил в них нет или они крайне редки. В список галактик эллипсоидной формы входит М87, расположенная на расстоянии в 53,5 млн световых лет от Земли.
  2. Линзовидная. Является промежуточным звеном между спиральными и эллиптическими звёздными островами. У астрономов существует версия, что линзовидная галактика образовалась из спиральной, у которой слились рукава, а потенциал звездообразования закончился. У неё имеется массивное ядро, распластанные газовый и звёздный диски. Внешне напоминает двояковыпуклую линзу из-за контраста плоских дисков и объёмного, выступающего балджа. Состоит из старых звёзд, чёрных дыр, маленьких зрелых светил остатков сверхновых звёзд, галактической пыли. Одна из подобных космических систем под названием Веретено располагается от Земли на расстоянии в 45 млн световых лет.
  3. С перемычкой. Система округлой формы, которую посередине пересекает яркая перемычка, состоящая из звёзд и межзвёздного газа. Рукава идут от краёв этой перемычки (бара). Галактика с перемычкой очень схожа со спиральной. Основное их отличие в том, что спирали начинаются от бара, а не от ядра. Примером является NGC 1300, расположенная в 60 млн световых лет от нашей планеты.
  4. Спиральная. В классическом варианте спиральная галактика – это активно вращающийся звёздный остров в виде эллипса, в котором от балджа отходят рукава в виде закрученных спиралей. У большинства таких космических объектов есть перемычки. В рукавах активно образуются молодые звёзды из-за большого содержания там свободной видимой материи. Список галактик в виде спирали обширен. Такие системы составляют 55% от всего количества звёздных островов во Вселенной. Интересным фактом является то, что у них немного рукавов. Спираль закручивается не очень туго, звёзды свободно перемещаются из одной её части в другую. Почему рукава не закручиваются больше ещё не известно. Одной из версий является то, что спираль закручивается под влиянием волн плотности, сжимающие пылевые и газовые облака, попадающие в галактические рукава. В результате активируется образование звёзд, в основном массивных и ярких, жизненный срок которых составляет несколько миллионов лет. При этом они находятся практически всегда в фиксированном положении, что обеспечивает стабильность спиралей. Но эта гипотеза так и остаётся предположением без доказательств, потому что длительное изучение развития галактических систем невозможно из-за их сложной структуры. Самая известная галактика, относящаяся к этому типу – Млечный Путь.
  5. Неправильная. Очень редкая разновидность звёздных островков. Состоит из газа, пыли, звёздных скоплений, но в них отсутствуют основные структурные элементы, такие как балдж, рукава. По структуре и внешнему виду неправильная галактика похожа на рваные облака. Такой формой она часто обязана воздействию гравитационных полей. Но иногда приобретает рваный вид сама по себе. Интересными, с точки зрения, астрономии является карликовая неправильная галактика. Она наполнена газом – необходимым элементом для образования новых звёзд. В ней мало металлов и они очень компактные по размеру. Всё это в совокупности создаёт оптимальные условия для зарождения ярких, огромных звёзд, которые очень быстро гаснут. К неправильной системе относится NGC 4449, располагающаяся 12 млн световых лет от Земли.

Бар (перемычка) проходит от внутренних концов спиральных ветвей (голубые) к центру галактики. NGC 1300.

Планета Земля входит в Млечный Путь, это спиральная галактика с перемычкой. Включает более 150 млрд звёзд, световой луч с одной стороны Млечного Пути до другого проходит за сотню тысяч лет. Солнечная система располагается на краю нашей галактики. Расстояние от Солнца до ядра Млечного Пути составляет 30 000 световых лет.

Танцы «каннибалов»

Расстояния между галактиками во Вселенной в десятки раз больше размеров самих галактик. Поэтому большинство из них существуют совершенно независимо и никак не влияют друг на друга.

Однако если звезды лишь в редчайших случаях сталкиваются друг с другом, с галактиками дело обстоит иначе — это происходит довольно часто. Правда, столкновение галактик вовсе не означает их гибели, ведь галактика представляет собой звездную систему, в которой светила разделены гигантскими расстояниями.

Если происходит сближение двух галактик, то они воздействуют друг на друга прежде всего своим гравитационным полем. Такое взаимодействие называют приливным — оно и в самом деле напоминает влияние ближайших к Земле небесных тел на наши океаны.

В результате меняется характер движения вещества в границах обеих галактик, их форма меняется, возникают выбросы газа, пыли и части звезд в межгалактическое пространство. Может измениться даже класс, к которому раньше принадлежала та или другая галактика.

Иногда эти сложные процессы завершаются поглощением одной из галактик — астрономы называют такие поглощения «галактическим каннибализмом».

Гость форума
От: admin

Эта тема закрыта для публикации ответов.