Состав и строение галактик. Строение Галактики Строение и структура галактики
Общая астрономия. Строение Галактики
Одним из самых примечательных объектов звездного неба является Млечный Путь . Древние греки называли его galaxias , т.е. молочный круг . Уже первые наблюдения в телескоп, проведенные Галилеем, показали, что Млечный Путь – это скопление очень далеких и слабых звезд.
В начале ХХ века стало очевидным, что почти все видимое вещество во Вселенной сосредоточено в гигантских звёздно-газовых островах с характерным размером от нескольких килопарсеков до нескольких десятков килопарсек (1 килопарсек = 1000 парсек ~ 3∙10 3 световых лет ~ 3∙10 19 м). Солнце вместе с окружающими его звёздами также входит в состав спиральной галактики, всегда обозначаемой с заглавной буквы: Галактика. Когда мы говорим о Солнце, как об объекте Солнечной системы, мы тоже пишем его с большой буквы.
Расположение Солнца в нашей Галактике довольно неудачное для изучения этой системы как целого: мы находимся вблизи плоскости звёздного диска, и с Земли сложно выявить структуру Галактики. К тому же, в области, где расположено Солнце, довольно много межзвёздного вещества, поглощающего свет и делающего звездный диск почти непрозрачным для видимого света в некоторых направлениях, особенно в направлении ее ядра. Поэтому исследования других галактик играют громадную роль в понимании природы нашей Галактики. Галактика представляет собой сложную звёздную систему, состоящую из множества разнообразных объектов, которые находятся между собой в определенной взаимосвязи. Масса Галактики оценивается в 200 миллиардов (2∙10 11) масс Солнца, но только два миллиарда звезд (2∙10 9) доступно наблюдениям.
Распределение звёзд в Галактике имеет две ярко выраженные особенности: во-первых, очень высокая концентрация звёзд в галактической плоскости, и во-вторых, большая концентрация в центре Галактики. Так, если в окрестностях Солнца, в диске, одна звёзда приходится на 16 кубических парсеков, то в центре Галактики в одном кубическом парсеке находится 10 000 звезд. В плоскости Галактики помимо повышенной концентрации звёзд наблюдается также повышенная концентрация пыли и газа.
Размеры Галактики: - диаметр диска Галактики около 30 кпк (100 000 световых лет), - толщина - около 1000 световых лет.
Солнце расположено очень далеко от ядра Галактики - на расстоянии 8 кпк (около 26 000 световых лет). Галактика состоит из диска, гало, балджа и короны.
Галактика содержит две основных подсистемы (два компонента), вложенные одна в другую и гравитационно-связанные друг с другом.
Первая называется сферической - гало , ее звезды концентрируются к центру галактики, а плотность вещества, высокая в центре галактики, довольно быстро падает с удалением от него. Центральная, наиболее плотная часть гало в пределах нескольких тысяч световых лет от центра Галактики называется балдж . (английское слово bulge переводится как вздутие ). В балдже (3-7 кпк) сосредоточено почти все молекулярное вещество межзвездной среды; там находится наибольшее количество пульсаров, остатков сверхновых и источников инфракрасного излучения. Центральная, наиболее компактная область Галактики называется ядром . В ядре высокая концентрация звезд: в каждом кубическом парсеке находятся тысячи звезд. Если бы мы жили на планете около звезды, находящейся вблизи ядра Галактики, то на небе были бы видны десятки звезд, по яркости сопоставимых с Луной. В центре Галактики предполагается существование массивной черной дыры. Видимое излучение центральных областей Галактики полностью скрыто от нас мощными слоями поглощающей материи. Центр Галактики находится в созвездии Стрельца в направлении на α = 17h46,1m, δ = –28°51". Вторая подсистема - это массивный звездный диск . Он представляет собой как бы две сложенные краями тарелки. В диске концентрация звезд значительно больше, чем в гало. Звезды внутри диска движутся по круговым траекториям вокруг центра Галактики. В звездном диске между спиральными рукавами расположено Солнце.
Звёзды галактического диска были названы населением I типа, звёзды гало - населением II типа. К диску, плоской составляющей Галактики, относятся звёзды ранних спектральных классов О и В, звёзды рассеянных скоплений, тёмные пылевые туманности, облака газа и пыли. Солнце относится к звездному населению I типа.
Гало, наоборот, составляют объекты, возникшие на ранних стадиях эволюции Галактики: звёзды шаровых скоплений, звёзды типа RR Лиры. Звёзды плоской составляющей по сравнению со звёздами сферической составляющей отличаются большим содержанием тяжелых элементов. Возраст населения сферической составляющей превышает 12 миллиардов лет. Его обычно принимают за возраст самой Галактики. По сравнению с гало диск вращается заметно быстрее. Масса диска оценивается в 150 миллиардов М Солнца. В диске находятся спиральные ветви (рукава). Молодые звёзды и очаги звёздообразования расположены, в основном, вдоль рукавов. Диск и окружающее его гало погружены в корону .
В настоящее время считают, что размеры короны Галактики в 10 раз больше, чем размеры диска. Дальнейшие исследования показали, что в нашей Галактике имеется перемычка (бар).
Астрономы убедились в существовании спиральных рукавов полвека назад по тому же излучению атомарного водорода на волне 21 сантиметр.
Иллюстрация слева. Солнце расположено между рукавами Киля-Стрельца и Персея.
Иллюстрация справа. Строение нашей Галактики в разрезе.
Слева вид нашей Галактики в видимом диапазоне (цифровая панорама их трёх тысяч изображений звёздного неба), если посмотреть на всё небо сразу.
Аксел Мелингер. Проект Панорама Млечного пути 2.0.
Рисунок справа. Наблюдения радиоизлучения водорода. Наблюдения Энглмайера.
Красным наложен узор спиральных рукавов. Отчётливо видно, что у нашей Галактики есть бар (перемычка), от которой отходят два рукава. Во внешней части видны 4 рукава.
Поглощающей материи, по-этому исследуется только в инфракрасном свете и радиоизлу-чении. Процессы в ядре Галактики изучены плохо. В самом центре или непосредственно рядом с ним обнаружен источник нетеплового (т. е. не связанного с горячим газом) радиоизлу-чения, природа которого неясна.
Газовый диск
В пределах 300 пк от центра обнаружено множество признаков образования массивных звёзд. Там имеется газовый диск, масса которого, возможно, достигает 50 млн масс Солнца . Диск вращается с очень боль-шой скоростью, причём вдоль его оси из ядра выбрасывается довольно значительное количество газа.
Чёрные дыры
В центре Млечного Пути находится массивная (несколько миллионов масс Солнца) чёрная дыра .
Черные дыры наблюдаются, когда на её поверх-ность падает газ (в галактиках это межзвёздный газ). При па-дении на дыру газ разогревается до миллионов кельвин и све-тится в рентгеновском диапазоне. В Галактике, по-видимому, несколько миллионов лет назад произошло падение на чёрную дыру массивного тела. Это вызвало мощнейший взрыв, в ре-зультате которого межзвёздный газ выбросило из окрестностей чёрной дыры.
Вращение
Красные карлики, шаровые скопления, красные гиганты, короткопериодические цефеиды образуют сферическую состав-ляющую Галактики. Они занимают сферический объем, и их концентрация быстро увеличивается к центру.
Нашу Галактику окружает так на-зываемая галактическая корона, состоящая из огромного чис-ла звёзд малой массы (M ≈ 0,3—0,2 M ☉). О распределе-нии звёзд короны практически ничего не известно, но наи-более вероятно, что они распределены в сферическом объёме радиусом в несколько раз больше, чем радиус Галактики.
Строение галактик
Спиралевидные галактики обычно имеют форму диска с явно выраженной спиралевидной структурой, почему и получили своё название. У таких галактик можно выделить центр, рукава и гало. Центр - это массивное и плотное скопление звёзд, обычно молодых, и межзвёздного вещества. Предположительно, в центрах спиралевидных галактик могут находиться чёрные дыры . Рукава - звёздные образования в галактическом диске, имеющие форму расходящихся от центра спиралей. Их возникновение обусловлено вращением галактики. Большинство звёзд вне центра галактики находятся именно в рукавах. Гало - звёзды, находящиеся вне галактического диска, но тем не менее причисляемые к данной галактике.
Спиралевидные галактики обычно делят на два подвида: обыкновенные, например наша, Млечный Путь , имеющие больше двух рукавов, изогнутых на всём протяжении, и симметричные, имеющие два симметричных рукава, которые значительную часть своей длины являются прямыми, и только потом начинают загибаться. Также такие галактики имеют название галактики с «баром» - перемычкой.
Кроме того, можно заметить, что крупные скопления газа и пыли (Шаровые скопления) обычно формируют шар вокруг центра галактики, и их расположение практически не зависит от положения диска.
Эллиптические галактики наиболее часто встречаются в плотных скоплениях галактик. Они имеют форму эллипсоида, чаще всего шара. Собственно, шаровые галактики считаются особым подвидом. Наибольшие из известных галактик - именно шаровые. Скорость их вращения обычно значительно меньше, чем у спиралевидных, и диск просто не формируются. Такие галактики обычно насыщены Шаровыми скоплениями .
Галактики неправильной формы Галактики неправильной формы обычно имеют слишком малую массу, чтобы иметь чёткую структуру, либо находятся под воздействием более крупных объектов. В них обычно очень мало шаровых скоплений. Типичными примерами таких галактик являются спутники Млечного Пути - Большое и Малое Магеллановы Облака.
Тем не менее, среди неправильных галактик выделяют так называемые малые эллиптические галактики.
Центр галактики.
Совсем недавно считалось, что сверх массивные чёрные дыры в центре галактики - что то сверхъестественное.
Но более углублённые изучения показали, что в центре каждой или почти в каждой галактики есть такое огромное космическое тело.
По одной из версий, на заре вселенной сверх массивные чёрные дыры начали затягивать в себя космическую пыль и от огромной скорости этого процесса, газы около чёрных дыр начали раскаляться. Начали образовываться звёзды. Как только вещество в зоне действия гравитации заканчивалось, свечение прекращалось, чёрная дыра успокаивалась, пока какая нибудь космическая катастрофа не запустит процесс заново. По этому в некоторых галактиках в центре видно яркое свечение.
Примерно так огромные космические"убийцы", чья гравитация притягивает даже фотоны и радио волны, дали жизнь звёздам, чтобы они дали жизнь планетам, спутникам и наконец нам.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Строение галактик" в других словарях:
Морфологическая классификация галактик система разделения галактик на группы по визуальным признакам, используемая в астрономии. Существует несколько схем разделения галактик на морфологические типы. Наиболее известная была предложены… … Википедия
Крабовидная туманность Астрономия наука о Вселенной, изучающая расположение, движение, строение, происхождение и … Википедия
Фибоначчи - (Fibonacci) Фибоначчи первый крупный математик средневековой Европы Десятичная система счисления, арабские цифры, числа, последовательность, уровни, ряд, линии и спираль Фибоначчи Содержание >>>>>>>>> … Энциклопедия инвестора
Весь мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по тем формам, которые принимает материя в процессе своего развития. В. существует объективно, независимо от сознания человека, её познающего. В. содержит… …
Математика Научные исследования в области математики начали проводиться в России с 18 в., когда членами Петербургской АН стали Л. Эйлер, Д. Бернулли и другие западноевропейские учёные. По замыслу Петра I академики иностранцы… … Большая советская энциклопедия
- (греч. kosmogonía, от kósmos мир, Вселенная и gone, goneia рождение) область науки, в которой изучается происхождение и развитие космических тел и их систем: звёзд и звёздных скоплений, галактик, туманностей, Солнечной системы и всех… … Большая советская энциклопедия
- (от греч. kosmos мир, Вселенная и logos слово, учение), учение о Вселенной как едином целом и о всей охваченной астр. наблюдениями области Вселенной (Метагалактике) как части целого; раздел астрономии. Выводы К. основываются на законах физики и… … Физическая энциклопедия
Раздел астрономии, исследующий общие закономерности строения, состава, динамики и эволюции звёздных систем и изучающий реализацию этих закономерностей в нашей звёздной системе Галактике (См. Галактика). Конкретные исследования др.… … Большая советская энциклопедия
- (позднегреч. Galaktikos молочный, млечный, от греческого gala молоко) обширная звёздная система, к которой принадлежит Солнце, а следовательно, и вся наша планетная система вместе с Землёй. Г. состоит из множества звёзд различных типов, а … Большая советская энциклопедия
Внегалактические туманности или островные Вселенные, гигантские звездные системы, содержащие также межзвездный газ и пыль. Солнечная система входит в нашу Галактику Млечный Путь. Все космическое пространство до пределов, куда могут проникнуть… … Энциклопедия Кольера
Книги
- Учение мастера два. Книга 2. Уровни Вселенной. Строение Вселенной. Сокровенное. Глобальная сеть , Дара Преображенская , Данная книга - это вовсе не одна из попыток "просчитать математически" Бога. Здесь показана работа, которая позволит нам познать энергии вселенной, понять, как можносуществовать в этой… Категория: Вселенная. Космоэнергетика Издатель: Золотое Сечение ,
- Учение мастера Два Книга 2 Уровни Вселенной Строение Вселенной Сокровенное Глобальная сеть , Преображенская Д. , Данная книга - это вовсе не одна из попыток "просчитать математически" Бога. Здесь показана работа, которая позволит нам познать энергии вселенной, понять, как можно существовать в этой… Категория:
Методика проведения 1
урока
"Наша Галактика"
Цель: формирование понятия о нашей Галактике.
Задачи обучения:
Общеобразовательные - формирование астрономических понятий:
1) о галактиках как одной из
основных типов космических систем на
примере рассмотрения физической природы и
основных характеристик нашей Галактики:
- основных физических характеристик нашей
Галактики (массы, размеров, формы,
светимости, возраста, образующих ее
космических объектов и их числа);
- строения Галактики и основных типов
галактического населения.
2) о межзвездной среде, ее газовой и пылевой
составляющих и о космических лучах.
3) о взаимосвязи эволюции космической среды
в Галактике с эволюцией звезд.
Воспитательные:
1) Формирование научного
мировоззрения учащихся:
- в ходе знакомства с историей изучения и
природой Галактики и ее основными
физическими характеристиками, строением и
составом;
- на основе раскрытия философских положений
о материальном единстве и познаваемости
мира при изложении астрономического
материала о природе Галактики;
2) Политехническое образование и трудовое
воспитание при повторении и углублении
знаний о методах и инструментах,
применяемых для изучения Галактики (спектральный
анализ, радиоастрономия (радиотелескопы),
ИК – астрономия и т.д.).
Развивающие
: формирование умений
анализировать информацию, объяснять
свойства космических систем на основе
важнейших физических теорий, использовать
обобщенный план для изучения космических
объектов, делать выводы.
Ученики должны знать : основные признаки понятия "галактика" как отдельного типа космических систем и главные физические характеристики, строение и состав нашей Галактики.
Ученики должны уметь : анализировать и систематизировать учебный материал, использовать обобщенный план для изучения космических объектов, делать выводы.
Наглядные пособия и демонстрации:
- фотографии
, схемы
и рисунки
спиральных галактик, подобных нашей
Галактике; Млечного Пути, рассеянных и
шаровых скоплений; строения нашей
Галактики;
- диапозитивы
из серийслайд-фильма
"Иллюстрированная астрономия: "Звезды
и галактики"; "Галактики, эволюция
Вселенной";
- диафильмы
и фрагменты диафильмов
:
"Развитие представлений о Вселенной";
"Галактики"; "Строение Вселенной";
- фрагменты кинофильма
"Вселенная";
- таблицы
: "Радиоастрономия"; "Звездные
скопления, туманности, Галактика"; "Млечный
Путь"; "Галактики";
- наглядные пособия и ТСО:
настенная и
подвижные карты звездного неба.
План урока
|
Этапы урока |
Методы изложения |
Время, мин |
|
|
Повторение и актуализация астрономических знаний |
Фронтальный опрос, беседа |
||
|
Изложение нового материала:
|
Лекция, беседа, рассказ учителя |
20-25 |
|
|
Закрепление изученного материала. Решение задач |
Работа у доски, решение задач в тетради |
10-12 |
|
|
Подведение итогов урока. Домашнее задание |
|||
Задание на дом: по материалу учебников:
- Б.А. Воронцов-Вельяминова
:
изучить §§ 27, 28; вопросы к параграфам.
- Е.П. Левитана
: изучить § 28; вопросы к
параграфу.
- А.В. Засова, Э.В. Кононовича
: изучить
§§ 28-30; вопросы к параграфам; упр. 28.4, 29.4
(4)
Методика проведения урока:
Учитель объявляет школьникам цель и задачи данного урока: изучение нашей Галактики. Производится актуализация "донаучных" познаний о природе нашей Галактики и других галактик и повторение материала о космических (звездных) системах. Ученикам задают вопросы:
1. Что такое космическая система?
Какие космические системы вы знаете? Какими
характеристиками и свойствами они обладают?
2. По каким признакам классифицируются
известные вам космические системы?
3. Что такое Галактика? Являются ли
синонимами слова "Галактика" и "Млечный
Путь"?
4. Что вы знаете о нашей Галактике? Каковы ее
размеры? Форма? Какие космические объекты
входят в ее состав?
5. Существуют ли во Вселенной другие
галактики? Что вы о них знаете?
При сообщении сведений об основных физических характеристиках Галактики необходимо обратить внимание учеников на трудности ее исследования, обусловленные тем, что мы наблюдаем Галактику "изнутри". В пособии рекомендуется использовать аналогию, задав ученикам вопрос: как легче и точнее составить план вашего города: из при наблюдениях из окна своего одного дома или по данным аэрофотосъемки? Нужно объяснить ученикам, как основные детали структуры Галактики (галактический диск, ядро) наблюдаются на звездном небе Земли. Строение Галактики можно продемонстрировать при помощи соответствующей таблицы (при этом экономится учебное время), но для более качественного усвоения материала учениками лучше поэтапно с соответствующими пояснениями воспроизвести ее на доске (а ученики перерисовывают ее в свои тетради). Количественные характеристики Галактики желательно сообщать как в числовой форме, так и в сравнении с размерами известных им объектов.
Ученики должны понимать, что Галактика является гравитационно-связанной космической системой: силы тяготения играют решающую роль в ее существовании и наряду с силами инерции и силами электромагнитной природы определяют структуру и основные свойства Галактики.
Наша Галактика
Наша Галактика - спиральная система массой от 2× 10 11 М¤ до 8,5-11,5× 10 11 М¤ (2,3× 10 42 кг), радиусом около 1,5-2× 10 4 пк и светимостью 2-4× 10 10 L¤ . Галактика состоит из 150-200 миллиардов звезд и множества других космических объектов: более 6000 галактических молекулярных облаков, содержащих в себе до 50% межзвездного газа, туманностей, планетных тел и их систем, нейтронных звезд, белых и коричневых карликов, черных дыр, космической пыли и газа. Диск Галактики пронизан крупномасштабным магнитным полем, удерживающим частицы космических лучей и заставляющим их двигаться вдоль магнитных линий по винтовым траекториям. 85-95% массы Галактики сосредоточено в звездах, 5-15% - в межзвездном диффузном газе. Массовая доля тяжелых элементов в химическом составе Галактики составляет 2%. Возраст Галактики 14,4 ± 1,3 млрд. лет. Большая часть звезд Галактики образовалась свыше 9 млрд. лет назад.
Основная часть образующих Галактику звезд наблюдается с Земли как опоясывающая все небо белесая, слабосветящаяся полоса неправильных очертаний - Млечный путь , в котором сливается сияние миллиардов слабосветящихся звезд.
Мы наблюдаем свою Галактику изнутри, что затрудняет определение ее формы, структуры и некоторых физических характеристик. Телескопическим наблюдениям доступно лишь 10 9 звезд - до 1% всех звезд Галактики.
Ядро Галактики наблюдается в созвездии Стрельца (a = 17 h 38 m , d = -30њ ), занимая часть созвездий Щита, Скорпиона и Змееносца. Ядро полностью скрыто за мощными темными газопылевыми облаками (ГМО) общей массой 3× 10 8 М¤ в 700 пк от центра Галактики, поглощающими видимое, но пропускающими радио- и инфракрасное излучение. В их отсутствие ядро Галактики было бы самым ярким после Солнца и Луны небесным светилом.
В центре ядра наблюдается сгущение - керн. Всего в 400 св. годах от центра, в недрах газопылевой туманности Стрелец А массой 10 5 М¤ скрывается черная дыра массой около 4,6× 10 6 М¤ . В самом центре в области размерами менее 1 пк и массой 5× 10 6 М¤ , вероятно, находится очень плотное скопление голубых сверхгигантов (до 50000 звезд).
Рис. 67. Строение нашей Галактики:
1 - Керн
2 - Ядро Галактики
3 - Балдж ("вздутие"): сферическое
население центра Галактики
4 - Бар – галактическая "перемычка".
5 - Молодая плоская подсистема (звезды
классов О, В, ассоциации)
6 - Старая плоская подсистема (звезды класса
А)
7 - Диск Галактики (звезды главной
последовательности, Новые, красные гиганты,
планетарные туманности)
8 - Промежуточная сферическая составляющая (старые
звезды, долгопериодические переменные)
9 - Спиральные рукава (диффузные газопылевые
туманности, молодые звезды классов О, В, А, F)
10 - Зоны концентрации ГМО вблизи ядра (9А) и в
"молекулярном кольце" (9В)
11 - Древнейшая сферическая подсистема (гало)
(шаровые скопления, короткопериодические
цефеиды, субкарлики)
12 - Шаровые скопления
13 - Солнечная система
14 - Газовая корона Галактики.
Наша Галактика имеет перемычку – бар , из концов которого в 4 тысячах парсек от центра Галактики начинают закручиваться 3 спиральные рукава; вблизи одного из них - рукава (ветви) Ориона находится Солнечная система. Вторая - ветвь Персея - наблюдается в направлении от центра Галактики на расстоянии 1,5-2,4 кпк от Солнца. Третья - ветвь Стрельца находится в направлении центра Галактики в 1,2-1,8 кпк от Солнца.
Галактика обладает сложным дифференцированным характером вращения вокруг своей оси (рис. 68). Собственные скорости звезд в ядре достигает 1000-1500 км/с. Скорость обращения галактических рукавов ниже скорости движения отдельных звезд на том же расстоянии от центра Галактики.
Солнечная система располагается вблизи экваториальной плоскости Галактики в 34000 св. лет от ее центра (на расстоянии совпадения скорости вращения Галактики и движения ее спиральных рукавов). Из анализа собственных движений 300000 звезд по смещению линий в спектрах благодаря эффекту Доплера установлено, что Солнечная система перемещается относительно ближайших звезд со скоростью 20 км/с в направлении созвездия Геркулеса и вместе с ними вращается вокруг центра Галактики со скоростью 250 км/c в направление созвездий Лебедя и Цефея. Точка небесной сферы, в направлении которой движется Солнечная система, называется апексом.
Период обращения Солнечной системы вокруг центра Галактики составляет 195-220 миллионов лет. Средняя продолжительность галактического года (Т G )равна213 млн. лет.
Концентрация вещества межзвездной среды весьма неравномерна. Она резко возрастает в плоскости вращения Галактики и в слое толщиной 500 св. лет диаметром 100000 св. лет составляет 10 -21 кг/м 3 . Облака поглощающей звездный свет темной, плотной пылевой материи видны на фоне Млечного пути невооруженным глазом в созвездиях Лебедя, Змееносца, Щита, Стрельца. Наибольшую плотность она приобретает в направлении ядра Галактики. На расстоянии от 4 до 8 тысяч парсек от галактического центра располагается "молекулярное кольцо " Галактики - скопление ГМО массой до 3× 10 9 М¤ .
Разреженный нейтральный газ вдали от звезд прозрачен для оптического излучения. Изучению распределения и характеристик газа в межзвездной среде и ГМО способствует радиоизлучение молекулярного водорода (l = 0,21 м) и гидроксила ОН (l = 0,18 м) (рис. 69).
Турбулентная межзвездная плазма сконцентрирована в облаках, занимающих около 20% межзвездной среды. Вне спиральных рукавов редкие плазменные облака размерами менее 26 пк и плотностью электронов 0,1-0,3 частиц/см 3 обнаруживаются на расстояниях до ± 900 кпк от плоскости Галактики. Облака в спиральных рукавах (± 200 пк от плоскости Галактики) имеют размеры до 50 пк, электронную плотность 0,2-1,0 частиц/см 3 . В зонах звездообразования в плоскости Галактики электронная плотность облаков размерами 10-50 пк достигает 1-10 частиц/см 3 .
Относительный возраст и порядок образования звезд в Галактике определяются из анализа химического состава звездных областей - подсистем Галактики. Рождение звезд в Галактике на протяжении миллиардов лет уменьшает концентрацию межзвездного газа и замедляет темпов звездообразования до полного его прекращения из-за "нехватки сырья" на формирование звезд последующих поколений. В прошлом темп звездообразования был значительно выше. Сейчас во всей Галактике ежегодно в звезды превращается межзвездный газ массой от 4 М¤ до 10М¤ . Он должен возобновляться, иначе полностью исчерпался бы в первые 1-2 миллиарда лет жизни Галактики.
Основным "поставщиком" межзвездного газа являются звезды, особенно на последних стадиях своей эволюции: голубые и красные гиганты и сверхгиганты, Новые и Сверхновые порождают в год около 1 М¤ межзвездного газа. Вероятно, Галактика притягивает газ из окружающего ее пространства (до 1,2-2 М¤ в год). Поэтому количество межзвездного газа в Галактике уменьшается очень медленно.
Заметно изменяется его химический состав. В звездах I поколения возрастом 12-15 миллиардов лет концентрация тяжелых элементов составляет около 0,1%.
Звезды II поколения главной последовательности возрастом 5-7 миллиардов лет содержат до 2 % тяжелых элементов.
В современных диффузных туманностях довольно много пыли, различных газов, тяжелых химических элементов и сложных молекулярных соединений. Молодые звезды классов О, В, А возрастом 0,1-3 млрд. лет в рассеянных скоплениях относятся к новому III поколению звезд. Они содержат около 3-4% тяжелых элементов.
В гало Галактики наблюдаются "высокоскоростные" облака атомарного водорода, перемещающиеся независимо от ее вращения. Одни облака, в составе которых около 0,1 % тяжелых химических элементов, состоят из вещества, притянутого Галактикой из окружающего пространства. Другие облака образованы выбросами вещества из галактического диска при вспышках Сверхновых в звездных скоплениях и других космических явлениях; их состав включает до 1% тяжелых химических элементов.
Рис. 70. Ежегодный баланс межзвездной среды в Галактике
Важной составляющей межзвездной среды Галактики являются космические лучи -потоки заряженных элементарных частиц с энергией до 10 21 эВ: протоны (91,7%), релятивистские электроны (0,92%), ядра атомов гелия (6,6%) и более тяжелых химических элементов (0,72%). Несмотря на низкую пространственную плотность космических лучей (у Земли – 1 частица/см 3× с), плотность их энергии сравнима с плотностью энергии суммарного электромагнитного излучения звезд, энергии теплового движения межзвездного газа и магнитного поля Галактики. Основным источником космических лучей являются вспышки Сверхновых.
Общее магнитное поле Галактики обладает индукцией около 10 -10 Тл. Силовые линии в основном параллельны галактической плоскости и изгибаются вдоль ее спиральных рукавов. Взаимодействуя с заряженными частицами космических лучей, магнитное поле Галактики искривляет траектории их движения вдоль силовых линий и тормозит релятивистские электроны, порождая нетепловое (синхротронное) излучение радиоволн с длиной волны более 1 м. Изучение "вариаций" – пространственно-временных изменений характеристик космических лучей под влиянием различных процессов в межзвездном пространстве и космических объектах позволяет исследовать электромагнитные поля отдельных протяженных космических объектов и всей Галактики в целом. Высокая энергия космических лучей делает их незаменимыми помощниками физиков при изучении строения вещества и взаимодействий элементарных частиц.
В заключение урока можно предложить ученикам задачи на повторение и закрепление материала о звездах и звездных системах (определение межзвездных расстояний, характеристик компонентов двойных систем и т.д.), а также задания упражнения 18:
Упражнение 18:
- Как выглядел бы Млечный Путь, если бы Земля находилась: а) в центре Галактики; б) на краю галактического диска, в 50000 св. лет от центра Галактики; в) в одном из шаровых скоплений сферической составляющей; г) на расстоянии 10000 св. лет над северным полюсом Галактики; д) для наблюдателя в Большом Магеллановом Облаке?
- Оцените массу Галактики, лежащую внутри области орбитального движения Солнечной системы вокруг центра Галактики, если масса Солнечной системы М ~ 1 М¤ , а период ее обращения (галактический год) составляет 213 миллионов лет.
- Составьте схему, на которой будут указаны все основные типы, классы и группы космических объектов и их систем, входящих в состав Галактики (рис. 71):
Рис. 71
4. В 1974 году по программе SETI к шаровому звездному скоплению М13 в созвездии Геркулеса (расстояние 24000 св. лет) было отправлено радиосообщение о земной цивилизации. Как вы думаете, дождутся ли и, если "да", то когда дождутся наши потомки ответа?
5. В спектрах трех далеких галактик наблюдается красное смещение, равное: z 1 = 0,1, z 2 = 0,5, z 3 = 3 длин волн спектральных линий. С какой лучевой скоростью движутся эти галактики? Определите расстояние до каждой из них, считая Н = 50км/с× Мпк.
6. Вычислите расстояние, линейные размеры и светимость квазара 3С48, если его угловой диаметр равен 0,56ќ , блеск 16,0 m , а линия l 0 = 2298× 10 -10 м ионизированного магния смещена в его спектре до положения l 1 = 3832× 10 -10 м.
7. Как влияет поглощение света межзвездной средой на определение расстояний и размеров далеких галактик?
8. Классическая картина мира XIX века оказалась достаточно уязвимой в области космологии Вселенной, благодаря необходимости объяснения 3 парадоксов: фотометрического, термодинамического и гравитационного. Вам предлагается объяснить эти парадоксы с точки зрения современной науки.
Фотометрический парадокс (Ж. Шезо, 1744 г.; Г. Ольберс, 1823 г.) сводился к объяснению вопроса "Почему ночью темно?".
Если Вселенная бесконечна, то звезд в ней бесчисленно много. При сравнительно равномерном распределении звезд в пространстве число звезд, находящихся на данном расстоянии, возрастает пропорционально квадрату расстояния до них. Поскольку блеск звезды ослабевает пропорционально квадрату расстояния до нее, то ослабление общего света звезд из-за их удаленности должно в точности компенсироваться возрастанием числа звезд, и вся небесная сфера должна равномерно и ярко светится.
Термодинамический парадокс (Клаузиус, 1850 г.), связан с противоречием второго начала термодинамики и концепции вечности Вселенной. Согласно необратимости тепловых процессов, все тела во Вселенной стремятся к тепловому равновесию. Если Вселенная существует бесконечно долго, то почему же тепловое равновесие в природе до сих пор не наступило, и тепловые процессы продолжаются до сих пор?
Гравитационный парадокс (Зеелингер, 1895 г.) основан на положениях бесконечности, однородности и изотропности Вселенной.
Мысленно
выберем сферу радиуса R
0 так, чтобы
ячейки неоднородности в распределении
вещества внутри сферы были несущественны и
средняя плотность была равна средней
плотности Вселенной r
. Пусть
на поверхности сферы находится тело массой m
,
например, Галактика. Согласно теореме
Гаусса о центрально-симметричном поле, сила
тяготения со стороны вещества массой М
,
заключенного внутри сферы, будет
действовать на тело так, как если бы все
вещество было сосредоточено в одной точке,
расположенной в центре сферы. При этом
остальное вещество Вселенной никакого
вклада в эту силу не вносит. При этом:
Выразим массу через среднюю плотность r
: 
. Пусть
Тогда -
ускорение свободного падения тела к центру
сферы зависит только от радиуса сферы R
0 .
Поскольку радиус сферы и положение центра
сферы выбраны произвольно, возникает
неопределенность в действии силы на
пробную массу m
и направление ее
движения.
9. Проделайте путешествие на воображаемой машине времени в прошлое и будущее нашей Метагалактики и сделайте рисунки того, что вы увидели бы: а) в момент Большого Взрыва; б) спустя 1 секунду после него; в) через 1 миллион лет; г) через миллиард лет; д) через 10 миллиардов лет после Большого Взрыва; е) спустя 100 миллиардов лет; ж) через 1000 миллиардов лет.
10. Что отличает космологические модели Вселенной от религиозного объяснения Вселенной?
Методика изучения материала на первых 3 уроках данной темы рассматривается в статье Е.Ю Степановой, Ю.А. Купрякова "Изучение вопросов о Галактике в теме "Строение Вселенной" .
В физико-математических классах и при работе с сильными учащимися можно воспользоватьсяидеями, содержащимися в статьеЛ.П. Суркова, Н.В. Лисина "Элементы проблемности при обучении астрономии в педагогическом институте". По мнению авторов, "Основа и источник астрономических знаний – наблюдения, которые и становятся основным способом создания проблемной ситуации (на основе собственных наблюдений, жизненных ситуаций, работы с фотографиями, рисунками и т.д., в т.ч. при знакомстве с наблюдательными результатами, имеющими якобы необъяснимый характер и приведшими в истории науки к постановке научной проблемы).
Существование различных подходов к выбору стратегии исследования реализуется в виде конкурирующих научных гипотез. Это позволяет использовать для придания лекции проблемного характера показ различных точек зрения и позиций ученых к решению определенной проблемы". В качестве примеров предлагаются: 1) дискуссия о природе активности квазаров и ядер галактик, где в качестве источника активности предлагались: многопульсарная модель, с многочисленными взрывами при столкновениях звезд; модель аккрецирующей сверхмассивной черной дыры; модель сверхмассивного вращающегося магнитоплазменного тела – магнитоида. 2) Возникновение спиральной структуры Галактики (волновая теория Линдблада, Лина и Шу, идея Герола и Сейдена, Яанисте и Саара, формирования ветвей при выбросе газа из центра галактик).
Изложение темы "Строение Галактики" также целесообразно построить в историческом плане. Ставится задача мысленно пройти путь ученых. Вначале проводятся наблюдения (демонстрации, посещение планетария). Задается задание: на основании сопоставления числа звезд на отдельных участках неба и различия звезд по блеску попытаться представить картину окружающего мира с учетом упрощающих факторов (как Гершель). На лекции подводится итог этому заданию и ставится вопрос "Что и как должно измениться в представленной картине, если предположения Гершеля неверны?". Затем, сопровождаемые демонстрациями, рассматриваются современные методы и результаты исследования Галактики.
Первый вариант "позволяет рассмотреть в исторической последовательности ряд задач, стоящих на пути исследователей и тем самым использовать преимущества, которые дает проблемный метод обучения: начать формирование сведений о структуре и размерах Галактики на основе изучения распределения звезд, постепенно дополняя и углубляя материал информацией о других объектах", предварительно ознакомив учеников с видимым распределением звезд по небу и со структурой Млечного Пути.
- - контрольные работы - задача
Наша Галактика состоит в основном из звезд, межзвездного газа и космических лучей. Все это связано между собой полями и магнитными полями. Есть в ней еще радиоволны, световые, рентгеновские и гамма-лучи - электромагнитное излучение, которое играет немалую роль в жизни каждой отдельной звезды, но несущественно для системы в целом. 90-95 процентов вещества Галактики собрано в звезды, а остальное приходится на газ, в основном .
Звездное население (этот термин официально принят в астрономии) делится на два типа. Молодые звезды (а их значительное большинство), образующие население 1 типа, почти все собрались в огромный тонкий диск в центральной плоскости Галактики. Диаметр этого диска около ста тысяч световых лет, то есть примерно миллиард миллиардов километров, а толщина всего две-три тысячи световых лет. Население II типа образует некую сферу. И чем ближе к центру Галактики, тем таких звезд больше. Звезды этого населения постарше.
Галактика по форме скорее напоминает дисковую пилу, чем спортивный диск для метания. Мы с вами живем на расстоянии 30 000 световых лет от центра, где-то на окраине диска, но зато вблизи центральной его плоскости.
Итак, в профиль Галактика похожа на плоский диск с шаровым утолщением в центре. Сложнее ее вид анфас.
Газовые туманности Галактики собраны в светящиеся полосы (рукава), закрученные в спирали. находится недалеко от края рукава, получившего имя Солнечного (иначе его называют рукав Лебедь-Киль). На расстоянии 9000 световых лет от Солнца, по направлению к границам Галактики, можно обнаружить детали рукава Персея. А в 4000 световых лет ближе к центру заметен рукав Стрельца.
Рассмотреть, что находится еще ближе к центру и что расположено за ним, не удается, мешают «черные мешки» космической пыли.
Правда, кое-что разъяснилось с развитием радиоастрономии. Для радиоволн космическая пыль оказалась достаточно прозрачной. Нейтральный водород интенсивно излучает дециметровые радиоволны. По этому излучению установили, что в пространстве между рукавами один атом водорода приходится на 5 кубических сантиметров, а в рукавах средняя плотность газа в пять раз выше.
Радио наблюдения убедили астрономов, что наш большой звездный дом состоит из 10-14 спиральных этажей. Мы знаем теперь, как он выглядит в плане и в разрезе. Неясно только одно… почему он давным-давно не развалился.
Спирали должны размазаться
Галактика имеет очень сложную форму и вращается вокруг своего центра масс. Спиральные галактические рукава изогнуты. И не беспорядочно, а по строгой математической формуле логарифмической спирали. Так же изогнуты ветви множества других спиральных галактик - очевидно, эта форма устойчива. Во всяком случае, она существует так же долго, как наша Солнечная система (то есть примерно 5-6 миллиардов лет). Весьма вероятно, однако, что спирали Галактики существовали раньше, чем образовалось наше Солнце. Но тут начинается непонятное.
Разумно предположить: каждая звезда, каждая молекула газа или пылинка вращается совершенно независимо от других вокруг центра тяжести Галактики. И по тем же законам, по которым искусственные спутники движутся вокруг Земли. Но тогда те массы галактического вещества, которые расположены ближе к центру Галактики, должны делать полный оборот гораздо быстрее, чем далекие. Выходит, не успело бы наше Солнце совершить один оборот (ему понадобилось бы для этого «всего» 200 миллионов лет), как одни «жители» Галактики, те, что ближе к центру, обогнали бы его, а далекие от центра звезды, пылевые скопления и т. д. отстали бы. Значит, рукава Галактики размазались бы в сплошной диск или разбились бы на концентрические кольца, вроде . Почему этого не происходит, до недавних пор не мог понять ни один астроном.
Устойчивость галактических рукавов представлялась загадочной и удивительной. Еще хуже обстоит дело с центром Галактики, где плотность газа значительно больше, чем в рукавах. Газ этот, видимо, «вытекает» в рукава. Одна лишь ближайшая к центру спиральная ветвь должна уносить за год из галактического центра количество газа, равное по массе Солнцу. Как считает известный голландский астроном Оорт, всего за тридцать миллионов лет одна лишь эта ветвь должна была «выкачать» весь газ из диска радиусом до 9 тысяч световых лет. Слишком быстро!
Объяснить длительное существование ядра мог бы приток в него откуда-то новых порций газа. Но этого еще никто не обнаружил.
Астрономы попали в странное положение: после многих трудов им удалось выяснить состав и строение нашей Галактики, и тут же они увидели, что такое строение долго сохраняться как будто не должно.
Впервые обоснованную попытку объяснить постоянства формы Галактики сделал профессор Г. Рихтер из Германии.
Галактику «лепит» ударная волна
Первый шаг Рихтера: он тщательно исследовал распределение в Галактике нейтрального водорода. И подметил новый неожиданный факт: плотность газа в рукавах неравномерна. В некоторых участках радиотелескоп обнаружил максимумы излучения, за которыми следуют минимумы. Это соответствует, очевидно, сгущениям и разрежениям межзвездного газа.
Сгущения и разрежения! Но как и почему они появились? В детской книжке по физике картинка: колокол, рядом - ухо, между ними, то гуще, то реже расположены черточки. Так иллюстрируется природа звуковой волны. Колебание колокола сжимает прилегающий слой воздуха, тот, упруго расширяясь, сжимает соседний слой и т. д. Вот и бежит по воздуху волна, состоящая из сжатий и разрежений.
Сгущения и разрежения вдоль рукавов Галактики могли бы возникнуть, если бы в межзвездном газе бежала какая-то волна. О волновой природе галактических спиралей до Рихтера никто не думал. А между тем…
Как ни разрежен межзвездный газ, как ни велики расстояния между его атомами, как ни редки столкновения между ними, все же он остается газом, подчиненным обычным газовым законам. И в этом межзвездном газе звуковые волны распространяются со скоростью, около километра в секунду - всего в три раза быстрее, чем в воздухе, плотность которого в триллионы раз больше. Но Рихтер обнаружил в межзвездном газе не звуковые волны.
При звуковых колебаниях частицы смещаются, оставаясь «привязанными» к своему месту. Иное происходит при возникновении ударных или взрывных волн, движущихся со сверхзвуковой скоростью. Это тоже чередование сгущений и разрежений. Но в ударной волне сжатая масса газа движется - и с огромной скоростью.
Мгновенный снимок ударной волны напомнил бы моментальную фотографию снаряда, прорезающего воздух. И по своему действию ударная волна напоминает снаряд: в ее фронте податливый газ, присутствия которого мы обычно даже не замечаем, спрессовывается, становится как бы твердым, и далеко не всякая преграда может перед ним устоять. Ударные волны в воздухе вызывает и сверхзвуковой самолет и взрыв динамита. Ударные волны возникают и в межзвездном газе.
Гипотеза профессора Рихтера
Поясним загадку устойчивости нашего звездного дома конкретным примером. На расстоянии 10 тысяч световых лет от центра Галактики, почти на полпути от ее центра до Солнца, есть спиральный рукав, который удаляется от центра аномально быстро - со скоростью 53 километра в секунду. По другую сторону от центра найдена ветвь, убегающая еще скорее. Остальные ветви тоже удаляются от центра, но гораздо медленнее.
Обратим внимание и на другой факт: оба рукава-беглеца вместе со всей Галактикой вращаются вокруг центра, но гораздо медленнее, чем требуется для сохранения целостности Галактики. В устойчивых, нераспадающихся системах при их вращении центробежная сила инерции должна уравновешиваться силой тяготения - той, с которой тела притягиваются к центру масс. Но центробежная сила тем больше, чем выше скорость вращения. Если скорость вращения меньше необходимой, тело падает к центру, если больше - удаляется от него. Скорость же вращения дальних ветвей заметно меньше той, что необходима для равновесия между центробежной силой и притяжением. Тем не менее, ветви не только падают к галактическому центру, но, наоборот, улетают прочь. Почему же?
Центр галактики
Рихтер обнаружил причину в таинственном центре Галактики. Концентрация звезд там в тысячу раз больше, чем в окрестностях Солнца. В самом же центре Галактики есть мощный источник радиоизлучения Стрелец А - нечто вроде шара диаметром до 500 световых лет. Он погружен в быстро вращающийся газовый диск с резкой внешней границей на расстоянии 2500 световых лет от центра. Этот тонкий газовый диск вращается примерно так, как вращалось бы твердое тело, а не расплывчатое облако газа.
На первый взгляд, это странно. Как может газ превратиться в твердь? Объяснение таково: линейная скорость вращения краев диска (они резко очерчены) составляет около 260 километров в секунду, а при такой скорости масса газа движется как бы в твердых стенках. (Прыгнув в воду с высокой вышки, вы можете убедиться, какой твердой становится податливая мягкая среда, если вы движетесь в ней со слишком большой скоростью).
Теперь, вспомнив сказанное выше о возможности существования в галактическом газе ударных волн, мы легко поймем суть идеи Рихтера.
Пусть в наружной газовой «стенке» диска или в нем самом возникнет небольшая неоднородность. Нарушив равновесие вращения, она быстро развивается, и в конце концов часть вещества вырвется с огромной скоростью в окружающее пространство. Вырвавшийся сгусток наносит колоссальный удар по внешней среде. И в межзвездном газе возбуждается мощная взрывная волна. Она будет распространяться от центрального ядра к периферии Галактики.
По мнению профессора Рихтера, начальная скорость ударной волны составляет около 60 километров в секунду. При такой скорости она движется в межзвездном газе, точно внутри «твердой трубки» (как породивший ее диск вращается внутри «твердых стенок»). Но по мере удаления от центра скорость ударной волны уменьшается из-за сопротивления межзвездной среды и гравитационных воздействий, а путь ее - изгибается. В конце концов, волна рассеивается. Но все это длится миллиарды лет, ибо траектории волн, пути их распространения в газе очень устойчивы.
Становится также ясно, почему до сих пор не исчерпался центральный галактический диск. В ударной волне за сгущением следует разрежение, и часть вещества возвращается на прежнее место.
Таким образом, по Рихтеру спиральные рукава Галактики это не что иное, как ударные волны, время от времени возникающие в ее центре. Поперечник космических ударных волн огромен - измеряется миллионами квадратных световых лет. По положению сгущений и разрежений в рукавах Рихтер оценил интервалы между двумя последовательными ударными волнами в 300 - 400 миллионов лет. Последняя ударная волна возникла около 60 миллионов лет назад.
Как видите, наш звездный дом получает новый облик - вместо рыхлого, расплывчатого образования он представляется стремительно вращающимся звездно-газовым волчком, пронизанным гигантскими волнами, которые держат его и придают ему сложную, тонкую динамическую структуру.
Волны, звезды, жизнь
В наше время ученые часто не ограничиваются обоснованными выводами, но позволяют себе и полуфантастические предположения. Подтвердятся догадки или нет - это не отразится на существе основной гипотезы, зато смелые сопоставления и аналогии могут послужить толчком для интересных размышлений.
Любопытно познакомиться с соображениями профессора Рихтера о причинах… .
Какие только гипотезы не предлагались для объяснения исчезновения этих чудовищ, после которых 60 миллионов лет назад хозяевами Земли стали млекопитающие животные. Эту биологическую революцию пытались объяснить и космическими катастрофами, и эпидемиями, и похолоданиями, связанными с перемещением полюсов планеты, и какими-то еще не выясненными процессами на Солнце.
Рихтер отметил, что возникновение последней ударной волны в межзвездном газе совпало по времени с гибелью динозавров. Он сопоставил также некоторые другие крутые повороты в истории жизни на Земле с интервалами между космическими ударными волнами. И пришел к выводу, что ударные волны, «задевшие» Солнечную систему, могли оказать существенное влияние на все формы жизни. Правда, о конкретном механизме такого гипотетического влияния Рихтер ничего сказать не смог.
А вот еще одна, пока тоже полуфантастическая гипотеза. Она касается более «масштабной» проблемы - проблемы рождения звезд.
Во фронте ударной волны плотность газа на некоторое время должна увеличиться в сотни и тысячи раз. В результате, замечает Рихтер, создаются условия, благоприятствующие конденсации вещества в плотные космические тела.
Сравнительно легко представить себе, как происходит рассеивание вещества в космосе: газ стремится занять, возможно, больший объем, частицы его разбегаются во все стороны. Кроме того, газовое облако, если только внутренние силы тяготения в нем недостаточно велики, будет разорвано на части силой притяжения к центру Галактики.
Однако, если ударная волна заставит сжаться облако, силы тяготения внутри него должны резко возрасти. Эти силы смогут удержать частицы вместе, и станет возможным сгущение облака, превращение его в звезду.
Разумеется, это только гипотеза, и к тому же пока полуфантастическая, но выглядит она для астрономов очень заманчиво.
В нашем звездном доме все связано между собой. И если качнется фундамент, если в ядре Галактики родится ударная волна, то население всех ее этажей, и звездное и живое, не может не ощутить этого.
