Окрестности Млечного пути и его гало.

Структура Галактики

Диаметр Галактики составляет около 30 тысяч парсек (порядка 100 000 световых лет, 1 квинтиллион километров) при оценочной средней толщине порядка 1000 световых лет. Галактика содержит, по самой низкой оценке, порядка 200 миллиардов звёзд (современная оценка колеблется в диапазоне предположений от 200 до 400 миллиардов). Основная масса звёзд расположена в форме плоского диска. По состоянию на январь 2009, масса Галактики оценивается в 3·1012 масс Солнца[5], или 6·1042 кг. Бо́льшая часть массы Галактики содержится не в звёздах и межзвёздном газе, а в несветящемся гало из тёмной материи.

[править]Диск

Лишь в 1980-х годах астрономы высказали предположение, что Млечный Путь является спиральной галактикой с перемычкой[16], а не обычной спиральной галактикой. Это предположение было подтверждено в 2005 году космическим телескопом имени Лаймана Спитцера, который показал, что центральная перемычка нашей галактики является большей чем считалось ранее[17].

По оценкам ученых, галактический диск, выдающийся в разные стороны в районе галактического центра, имеет диаметр около 100 000 световых лет[18]. По сравнению с гало диск вращается заметно быстрее. Скорость его вращения не одинакова на различных расстояниях от центра. Она стремительно возрастает от нуля в центре до 200—240 км / с на расстоянии 2 тыс. световых лет от него, затем несколько уменьшается, снова возрастает примерно до того же значения и далее остается почти постоянной. Изучение особенностей вращения диска позволило оценить его массу, оказалось, что она в 150 млрд раз больше M☉.

Вблизи плоскости диска концентрируются молодые звезды и звездные скопления, возраст которых не превышает нескольких миллиардов лет. Они образуют так называемую плоскую составляющую. Среди них очень много ярких и горячих звезд. Газ в диске Галактики также сосредоточен в основном вблизи его плоскости. Он распределен неравномерно, образуя многочисленные газовые облака — от гигантских неоднородных по структуре облаков, протяженностью свыше нескольких тысяч световых лет к небольшим облаков размерами не более парсека.

Галактический центр Млечного Пути в инфракрасном диапазоне.

В средней части Галактики находится утолщение, которое называется балджем (англ. bulge — утолщение), составляющее около 8 тысяч парсек в поперечнике. Центр ядра Галактики находится в созвездии Стрельца (α = 265°, δ = −29°)[19][20]. Расстояние от Солнца до центра Галактики 8,5 килопарсек (2,62·1017 км, или 27 700 световых лет). В центре Галактики, по всей видимости, располагается сверхмассивная чёрная дыра (Стрелец A*) (около 4,3 миллиона M☉[21]) вокруг которой, предположительно, вращается чёрная дыра средней массы[22] от 1000 до 10 000 M☉ и периодом обращения около 100 лет и несколько тысяч сравнительно небольших[23]. Их совместное гравитационное действие на соседние звёзды заставляет последние двигаться по необычным траекториям[22]. Существует предположение, что большинство галактик имеют сверхмассивные черные дыры в своем ядре[24].

Для центральных участков Галактики характерна сильная концентрация звезд: в каждом кубическом парсеке вблизи центра их содержится многие тысячи. Расстояния между звездами в десятки и сотни раз меньше, чем в окрестностях Солнца. Как и в большинстве других галактик, распределение массы в Млечном Пути такое, что орбитальная скорость большинства звезд этой Галактики не зависит в значительной степени от их расстояния до центра. Далее от центральной перемычки к внешнему кругу, обычная скорость обращения звезд составляет 210—240 км/с. Таким образом, такое распределение скорости, не наблюдаемое в солнечной системе, где различные орбиты имеют существенно различные скорости обращения, является одной из предпосылок к существованию темной материи.

Считается, что длина галактической перемычки составляет около 27 000 световых лет[16]. Эта перемычка проходит через центр галактики под углом 44 ± 10 градусов к линии между нашим Солнцем и центром галактики. Она состоит преимущественно из красных звезд, которые считаются очень старыми. Перемычка окружена кольцом, называемым «Кольцом в пять килопарсек». Это кольцо содержит большую часть молекулярного водорода Галактики и является активным регионом звездообразования в нашей Галактике. Если вести наблюдение из галактики Андромеды, то галактическая перемычка Млечного Пути была бы яркой его частью[25].

Рукава Галактики

Галактика относится к классу спиральных галактик, что означает, что у Галактики есть спиральные рукава, расположенные в плоскости диска. Диск погружён в гало сферической формы, а вокруг него располагается сферическая корона. Солнечная система находится на расстоянии 8,5 тысяч парсек от галактического центра, вблизи плоскости Галактики (смещение к Северному полюсу Галактики составляет всего 10 парсек), на внутреннем крае рукава, носящего название рукав Ориона. Такое расположение не даёт возможности наблюдать форму рукавов визуально. Новые данные по наблюдениям молекулярного газа (СО) говорят о том, что у нашей Галактики есть два рукава, начинающиеся у бара во внутренней части Галактики. Кроме того, во внутренней части есть ещё пара рукавов. Затем эти рукава переходят в четырёхрукавную структуру, наблюдающуюся в линии нейтрального водорода во внешних частях Галактики[26].

Окрестности Млечного пути и его гало.

Галактическое гало имеет сферическую форму, выходящую за пределы галактики на 5—10 тысяч световых лет[27], и температуру около 5·105 K[27]. Галактический диск окружен сфероидным гало , состоящим из старых звезд и шаровых скоплений , 90% которых находится на расстоянии менее 100 000 световых лет[28] от центра галактики. Однако в последнее время было найдено несколько шаровых скоплений, таких как PAL 4 и AM 1, находящихся на расстоянии более чем 200 000 световых лет от центра галактики. Центр симметрии гало Млечного Пути совпадает с центром галактического диска. Состоит гало в основном из очень старых, неярких маломассивных звезд. Они встречаются как поодиночке, так и в виде шаровых скоплений, которые могут содержать до миллиона звезд. Возраст населения сферической составляющей Галактики превышает 12 млрд. лет, его обычно считают возрастом самой Галактики.

В то время как галактический диск содержит газ и пыль, что затрудняет прохождение видимого света, сфероидная компонента таких составляющих не содержит. Активное звездообразование происходит в диске (особенно в спиральных рукавах, являющихся зонами повышенной плотности). В гало звездообразования завершились. Рассеянные скопления также встречаются преимущественно в диске. Считается, что основную массу нашей галактики составляет темная материя, которая формирует гало темной материи массой примерно 600 - 3000 миллиардов M☉. Гало темной материи сконцентрировано в направлении центра галактики [29].

Звезды и звездные скопления гало движутся вокруг центра Галактики по очень вытянутым орбитам. Так как вращение отдельных звезд происходит несколько беспорядочно (т. е. скорости соседних звезд могут иметь любые направления), гало в целом вращается очень медленно.

Бе́лые ка́рлики — проэволюционировавшие звёзды с массой, не превышающей предел Чандрасекара (максимальная масса, при которой звезда может существовать как белый карлик), лишённые собственных источников термоядерной энергии.

Белые карлики представляют собой компактные звёзды с массами, сравнимыми с массой Солнца, но с радиусами в ~100[1] и, соответственно, светимостями в ~10 000 раз меньшими солнечной. Плотность белых карликов составляет 105—109 г/см³[1], что почти в миллион раз выше плотности обычных звёзд главной последовательности. По численности белые карлики составляют, по разным оценкам, 3—10 % звёздного населения нашей Галактики.

бе́лые ка́рлики

компактные звёзды с массами около 1 массы Солнца и радиусами около 0,01 радиуса Солнца. Средняя плотность вещества бе́лые ка́рлики105–106 г/см3. Составляют 3—10% от общего числа звёзд Галактики; значительная часть белых карликов входит в двойные звёздные системы. Белые карлики — конечная стадия эволюции звёзд с начальной массой менее 5 масс Солнца после сброса ими внешних слоёв. Белые карлики существуют благодаря устойчивому равновесию сил гравитации и давления вырожденного газа электронов.

* * *

БЕЛЫЕ КАРЛИКИ

БЕ́ЛЫЕ КА́РЛИКИ, компактные звездообразные остатки эволюции маломассивных звезд. Для этих объектов характерны массы, сравнимые с массой Солнца (2.1030 кг); радиусы, сравнимые с радиусом Земли (6400 км) и плотности порядка 106 г/см3. Название «белые карлики» связано с малыми размерами (по сравнению с типичными размерами звезд) и белым цветом первых открытых объектов данного типа, определяемым их высокой температурой.

Белые карлики вместе с нейтронными звездами и черными дырами звездных масс относятся к так называемым компактным объектам. Все они являются остатками эволюции звезд различных масс, но сами не являются звездами в строгом смысле этого слова, т. к. в их недрах не идут термоядерные реакции. Для описания природы всех этих объектов требуется «физика 20 века»: квантовая механика (см. КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА) и теория относительности (см. ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ТЕОРИЯ). Однако, если нейтронные звезды (см. НЕЙТРОННЫЕ ЗВЕЗДЫ) и черные дыры (см. ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ) были предсказаны до своего открытия, то белые карлики были открыты в 19 в. и оставались необъясненными до начала 1930-х гг., когда были созданы основные квантово-механические законы.

Открытие двойных звезд

Первый белый карлик был открыт «на кончике пера» в 1844 Фридрихом Бесселем (см. БЕССЕЛЬ Фридрих Вильгельм) при изучении ярчайшей звезды ночного неба — Сириуса (см. СИРИУС). Оказалось, что если начертить кривую движения Сириуса, то звезда будет периодически смещаться от своего среднего положения. Это легко объяснить, если предположить, что Сириус (будем называть его теперь Сириус А) входит в двойную систему. То есть существует звезда-соседка, называемая Сириус В, и два светила вращаются вокруг общего центра масс. Слабую звездочку Сириус В впервые непосредственно увидел в телескоп А. Кларк в 1862. (см. ДВОЙНЫЕ ЗВЕЗДЫ)

Двойных звезд (см. ДВОЙНЫЕ ЗВЕЗДЫ) довольно много: около половины всех звезд Галактики входят в число двойных систем. Поэтому в самом факте двойственности нет ничего удивительного. Удивительной оказалась звезда-соседка. При массе, сравнимой с солнечной, и достаточно высокой температуре (горячие звезды имеют белый цвет) Сириус В оказалась очень слабой звездочкой. Это означает, что ее размеры очень малы, а, следовательно, велика плотность. Если подставить типичные для белых карликов значения (масса порядка 1030 кг и размер порядка нескольких тысяч километров), то получится плотность порядка 106 г/см3. Это несравненно выше плотности окружающего нас вещества. Самый плотный металл на Земле имеет плотность менее 30 г/см3. Плотность вещества в центре Солнца около 100 г/см3. Можно было ожидать, что свойства сверхплотного вещества окажутся необычными.

Из чего состоят белые карлики

Вещество белых карликов действительно обладает интересными свойствами, ученые называют его вырожденным газом (см. ВЫРОЖДЕННЫЙ ГАЗ). Если частицы вещества (в данном случае наиболее важны электроны (см. ЭЛЕКТРОН (частица))) расположены чрезвычайно близко друг к другу, то их взаимное квантово-механическое влияние начинает определять свойства вещества, а значит и звезды в целом. В частности, сила гравитации (см. ТЯГОТЕНИЕ), стремящаяся сжать звезду, уравновешивается давлением вырожденного газа. В маленькую область пространства (ее размер определяется законами квантовой механики: длиной волны де Бройля (см. ВОЛНЫ ДЕ БРОЙЛЯ) рассматриваемых частиц) нельзя поместить более двух частиц с полуцелым спином (см. СПИН), например электронов. Это проявляется в строении атомных орбиталей (см. ОРБИТАЛИ) и определяет химические свойства элементов. Путем сжатия вещества можно достичь плотностей, когда расстояние между электронами становится порядка волны де Бройля для этих частиц, то есть плотностей, достаточных для проявления квантовых свойств вещества. В ходе эволюции звезд в их недрах создаются условия, необходимые для образования вырожденного газа электронов.

Эволюция

Белые карлики образуются на финальных стадиях эволюции маломассивных звезд (масса менее 8—10 масс Солнца) после исчерпания топлива для термоядерных реакций. Благодаря тому что количество звезд в Галактике возрастает с уменьшением массы звезд, белые карлики достаточно распространены. Они составляют до 10% всех звезд Галактики. Наше Солнце через несколько миллиардов лет после исчерпания водорода в ядре также превратится в белый карлик.

Эволюция одиночного белого карлика сводится к его постепенному охлаждению за счет излучения. При уменьшении температуры будет меняться и цвет — от белого к красному. Поэтому старые белые карлики уже не являются собственно белыми. Название всего класса объектов связано лишь с цветом первых открытых звезд этого типа (Сириус В, 40 Эридана В). Если же белый карлик входит в состав тесной двойной системы, где возможен перенос вещества на белый карлик со звезды-соседки, то возможно появление ряда любопытных объектов. Особый интерес представляют так называемые новые звезды (см. НОВЫЕ ЗВЕЗДЫ), которые получили свое название благодаря резкому увеличению блеска, связанному с термоядерным взрывом вещества, перетекшего со звезды-соседки на поверхность белого карлика. При накоплении достаточно большого количества вещества, когда его масса превосходит критический предел (так называемый предел Чандрасекара (см. ЧАНДРАСЕКАР Субрахманьян)), белый карлик взрывается как сверхновая звезда (см. СВЕРХНОВЫЕ ЗВЕЗДЫ). После взрыва возможен полный разлет вещества или образование нейтронной звезды.

СКОПЛЕНИЯ ГАЛАКТИК

- гигантские плотные группировки галактик, <содержащие горячий ионизованный газ и невидимое вещество. Обычно С. г.,в отличие от групп, цепочек и др. систем галактик, называют комплексы, <имеющие размеры прибл. до 1,5-3 Мпк и включающие от неск. сотен до десятковтысяч галактик высокой и средней светимости. Форма С. г. близкак эллиптической. С. г. делятся по богатству (кол-ву галактик) на 6 классов-от 0 до 5. Ближайшее к Галактике С. г. в созвездии Девы (класс богатства0) содержит ок. 200 галактик, в т. ч. 7 гигантских эллиптических и 10 гигантскихспиральных галактик. Ближайшее богатое С. г. в созвездии ВолосыВероники (класс 2 или 3) содержит ок. 104 галактик высокой исредней светимости, преим. эллиптических и линзовидных, и очень мало спиральныхгалактик. Концентрация галактик в центрах богатых (класса 2 и выше) С. <г. превышает 103 Мпк -3. Известно ок. 3000 богатыхС. г. В скопления входит часть всех галактик. Галактики скоплений обеспечиваютлишь ок. 5% светимости всех галактик. При сравнительно небольших размерахС. г. в них наблюдаются очень большие среднеквадратичные скорости галактик(v) - до 1-2*103 км/с. Согласно вириала теореме этоозначает, что С. г. обладают очень большой массой (вириальной массой) Mv, определяемой соотношением

где R - радиус скопления (Мпк);- масса Солнца; G - гравитац. постоянная;- безразмерный численный коэф. порядка 1, зависящий от распределения плотностиС. г. (v в тыс. км/с). С др. стороны, зная светимость С. г. и зависимостьмасса - светимость (см. Масса - светимость зависимость )для галактик, <входящих в скопление, можно оценить массу светящегося вещества скопления,ML. Такие оценки выполнены для центр. частей неск. десятковС. г. Найдено, что ML ~ ~0,1 Mv,;.Значит. расхождение оценок М L и Mv, впервыеотмоченное Ф. Цвикки (F. Zwicky) в 1930-х гг., является одним из самыхсерьёзных свидетельств данных наблюдений в пользу существования невидимоготяготеющего вещества ( скрытой массы), к-рое в масштабах С. г. прибл. <в 10 раз превосходит массу видимого вещества, сосредоточенного в галактиках.

В 70-х гг. обнаружено рентг. излучение горячего газа, заполняющего С. <г. Исследование спектра излучения и распределения яркости позволило оценитьтемп-ру и распределение плотности газа. Оказалось, что в богатых С. г. <эти величины хорошо коррелируют со скоростями галактик и их распределением. <В более бедных С. г. наряду с общим рентг. фоном выделяется излучение коронотдельных наиб. массивных галактик, гравитац. потенциал к-рых сравним сгравитац. потенциалом скопления как целого. Масса горячего газа в центр. <областях С. г. не превосходит неск. процентов вириальной массы скопления, <его плотность ок. 10-3 см -3. Эти данные служат важнымнезависимым подтверждением стационарности С. г. и приведённых выше оценокмассы видимого и невидимого вещества в них. Подробные спектральные наблюдениянескольких наиб. ярких С. г. показывают, что в горячем газе присутствуютвысокоионизованные тяжёлые элементы (напр., Fe+25) с относит. <содержанием ок. 0,1-0,3 солнечного (см. Распространённость элементов). Это значит. что газ С. г. не является первичным и частично прошёл переработкув звёздах. Однако ныне невозможно сказать, как протекали эволюция горячегогаза и его обогащение тяжёлыми элементами. Горячий газ в С. г. может наблюдатьсятакже по искажению спектра микроволнового фонового излучения - эффектЗельдовича - Сюняева. Эффект связан с рассеянием фотонов этого излученияна электронах горячего газа С. г., что ведёт к росту ср. энергии фотонови падению темп-ры излучения Т в области спектра, где (v - частота излучения). Эффект, по-видимому, наблюдается в двух С. г. <Одноврем. наблюдение рентг. излучения С. г. и эффекта Зельдовича - Сюняевапозволяет точнее оценить параметры С. г., поскольку эти наблюдаемые величинызависят от разных комбинаций темп-ры и плотности газа и размеров скопления.

Наблюдаемая эллиптичность формы С. г., вероятно, связана с анизотропиейраспределения галактик по скоростям. Это свидетельствует о том, что С. <г. возникли при объединении уже сформировавшихся галактик и никогда непроходили фазы стационарного газового облака. Такое заключение согласуетсяс наблюдаемыми особенностями распределения галактик скопления по скоростям. <В большинстве С. г. дисперсия скоростей (квадрат среднеквадратичной скорости)не зависит от массы галактик. Это значит. что в системе успели пройти процессыбыстрой релаксации скоростей галактик в коллективном гравитац. поле (см. Звёздная динамика), но ещё не успело сказаться влияние процессовпарного взаимодействия, к-рые с течением времени должны привести к максвелловскойф-ции распределения галактик по скоростям с дисперсией скоростей, зависящейот массы галактик (такая зависимость отмечена лишь у неск. плотных С. г.).Это - свидетельство сравнит. молодости С. г.

С. г. наблюдаются вплоть до красных смещений z1(С. г. ЗС184), тогда как квазары найдены вплоть до z4. Поэтому прямых данных об эпохе формирования С. г. наблюдения недают. Интересно, что хотя вблизи квазаров часто видят отд. галактики, отмеченаотчётливая антикорреляция распределений квазаров и С. г.

С. г. являются ярчайшими элементами крупномасштабной структуры Вселенной. Изучение окрестностей Галактики показывает, что богатые С. г., какправило, расположены в узлах, в к-рых сходятся неск. цепочек и сверхскопленийгалактик. Менее богатые С. г. часто расположены цепочкой вдоль мощногосверхскопления галактик. Довольно часто С. г., подобно галактикам, собираютсяв небольшие группы из 2-3 членов. В неск. случаях наблюдается слияние двухС. г., сопровождаемое мощным рентг. излучением. Определённая на основенаблюдений корреляц. ф-ция распределения С. г.(r - расстояние между парами С. г., h - безразмерный параметр;см. Хаббла закон )по форме подобна корреляц. ф-ции галактик, ноотличается от неё значением корреляц. радиуса r с, прибл. <в 5 раз превосходящего принятое значение корреляц. радиуса распределениягалактик. Отмечается зависимость значения r с от класса богатстваи объёма выборки. Различие корреляц. радиусов распределения галактик иС. г. частично связано с сильным различием плотности их распределения впространстве. Подробное изучение и численное моделирование эффекта показывают, <что, вероятно, необходимо допустить и добавочное крупномасштабное (~ 50Мпк) скучивание вещества, к-рое трудно заметить при изучении распределениягалактик.

Модели образования структуры Вселенной, основанные на теории гравитационнойнеустойчивости, в общих чертах неплохо описывают образование С. г. <и их положение как элементов крупномасштабной структуры. Более подробноеизучение этого процесса методами численного моделирования затруднено из-забольшого объёма вычислений. Приближённое описание на базе теории особенностейградиентных отображений (см. Катастроф теория )и Бюргерса уравнения позволяет решить ряд проблем на качеств. уровне, но не даёт количеств. <описания.

ЭВОЛЮЦИЯ ГАЛАКТИК

РАЗБЕГАНИЕ ГАЛАКТИК

С точки зрения классической механики, закон Хаббла можно наглядно объяснить следующим образом. Когда-то давно Вселенная образовалась в результате Большого взрыва. В момент взрыва различные частицы материи (осколки) получили различные скорости. Те из них, которые получили бо́льшие скорости, соответственно успели к настоящему моменту улететь дальше, чем те, которые получили меньшие скорости. Если провести численный расчёт, то окажется, что зависимость расстояния от скорости оказывается линейной. Кроме того, получается, что эта зависимость одна и та же для всех точек пространства, то есть, по наблюдениям за разлетающимися осколками нельзя найти точку взрыва: с точки зрения каждого осколка, именно он находится в центре. Однако, несмотря на такую наглядность, следует помнить, что расширение Вселенной должно описываться не классической механикой, а общей теорией относительности.

Первое замечание касается того, учитывается ли при наблюдениях тот факт, что из-за того, что свет идёт от галактик миллионы лет, мы наблюдаем их в прошлом. В результате, поскольку они удаляются от нас, в настоящий момент они должны находиться уже дальше. Вопрос: для какого из двух расстояний определена зависимость Хаббла? Ответ: до середины XX века это не имело значения. Из графика Хаббла видно, что наибольшие скорости галактик, рассмотренных Хабблом, составили до 1000 км/с. В принципе это большая скорость, но за время движения света от них до Земли они всё равно успели сдвинуться лишь на незначительный процент общего расстояния.

Второе замечание заключается в том, что расширение Вселенной не является простым разлётом галактик в пустом пространстве. Оно заключается в динамическом изменении самого пространства. Непонимание этого факта часто заставляет делать неверные заключения авторов даже серьёзной литературы. Например, часто говорят, что скорость убегания галактик не должна превышать скорость света и потому на тех расстояниях, где это должно наблюдаться, должны наблюдаться и отклонения от закона Хаббла. Это не так: согласно общей теории относительности, должны существовать и наблюдаться галактики, убегающие быстрее света[4].

За несколько лет до экспериментального открытия закона Хаббла Александр Фридман вывел теоретически решения уравнения Эйнштейна для всей Вселенной, и в результате было получено, что если распределение вещества в ней в среднем равномерно, то она должна или сжиматься, или расширяться, причём в последнем случае должен наблюдаться линейный закон между расстоянием и скоростью убегания. Эта особенность решений Фридмана была сразу же отождествлена с явлением, открытым Хабблом.

В соответствии с этой (общепринятой) моделью космологическое красное смещение нельзя интерпретировать как Эффект Доплера, так как получаемая из наблюдаемого z по формулам этого эффекта скорость не соответствует (лишь приближённо равна) никакой скорости в смысле изменения космологического расстояния между галактиками. Галактики неподвижны (за исключением пекулярных собственных скоростей), а расширяется пространство, что и вызывает расширение волнового пакета. (См. в статье Космологическое красное смещение). Соотношение

является приближённым, в то время как равенство

где — расстояние в данный момент, есть точное равенство, то есть красное смещение линейно связано с расстоянием только приближённо для близких галактик, а скорость их удаления линейно возрастает с расстоянием точно. Таким образом, в последней формуле скорость V не соответствует скорости, рассчитываемой по эффекту Допплера.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: