Современные представления о галактиках

Галактики стали предметом космогонических исследований с 20-х годов ХХ века, когда была надежно установлена их действительная природа и оказалось, что это не туманности, т.е. не облака газа и пыли, находящиеся неподалеку от нас, а огромные звездные миры, лежащие от нас на очень больших расстояниях от нас. В основе всей современной космологии лежит одна фундаментальная идея - восходящая к Ньютону идея гравитационной неустойчивости. Вещество не может оставаться однородно рассеянным в пространстве, ибо взаимное притяжение всех частиц вещества стремиться создать в нем сгущения тех или иных масштабов и масс. В ранней Вселенной гравитационная неустойчивость усиливала первоначально очень слабые нерегулярности в распределении и движении вещества и в определенную эпоху привела к возникновению сильных неоднородностей: "блинов" - протоскоплений. Границами этих слоев уплотнения служили ударные волны, на фронтах которых первоначально невращательное, безвихревое движение вещества приобретало завихренность. Распад слоев на отдельные сгущения тоже происходил, по-видимому, из-за гравитационной неустойчивости, и это дало начало протогалактикам. Многие из них оказывались быстро вращающимися благодаря завихренному состоянию вещества, из которого они формировались. Фрагментация протогалактических облаков в результате их гравитационной неустойчивости вела к возникновению первых звезд, и облака превращались в звездные системы - галактики. Те из них, которые обладали быстрым вращением, приобретали из-за этого двухкомпонентную структуру - в них формировались гало более или менее сферической формы и диск, в котором возникали спиральные рукава, где и до сих пор продолжается рождение звезд Протогалактики, у которых вращение было медленнее или вовсе отсутствовало, превращались в эллиптические или неправильные галактики. Параллельно с этим процессом происходило формирование крупномасштабной структуры Вселенной - возникали сверхскопления галактик, которые, соединяясь своими краями, образовывали подобие ячеек или пчелиных сот; их удалось распознать в последние годы.

В 20-30 гг. XX века Хаббл разработал основы структурной классификации галактик - гигантских звездных систем, согласно которой различают три класса галактик:

I. Спиральные галактики - характерны двумя сравнительно яркими ветвями, расположенными по спирали. Ветви выходят либо из яркого ядра (такие галактики обозначаются S), либо из концов светлой перемычки, пересекающей ядро (обозначаются - SB).

II. Эллиптические галактики (обозначаются Е) - имеющие форму эллипсоидов.

Представитель - кольцевая туманность в созвездии Лиры находится на расстоянии 2100 световых лет от нас и состоит из светящегося газа, окружающего центральную звезду. Эта оболочка образовалась, когда состарившаяся звезда сбросила газовые покровы и они устремились в пространство. Звезда сжалась и перешла в состояние белого карлика, по массе сравнимого с нашим солнцем, а по размеру с Землей.

III. Иррегулярные (неправильные) галактики (обозначаются I) - обладающие неправильными формами.

По степени клочковатости ветвей спиральные галактики разделяются на подтипы а, в, с. У первых из них - ветви аморфны, у вторых - несколько клочковаты, у третьих - очень клочковаты, а ядро всегда неярко и мало.

Плотность распределения звезд в пространстве растет с приближением к экваториальной плоскости спиральных галактик. Эта плоскость является плоскостью симметрии системы, и большинство звезд при своем вращении вокруг центра галактики остается вблизи нее; периоды обращения составляют 10⁷ - 10⁹ лет. При этом внутренние части вращаются как твердое тело, а на периферии угловая и линейная скорости обращения убывают с удалением от центра. Однако в некоторых случаях находящееся внутри ядра еще меньшее ядрышко ("керн") вращается быстрее всего. Аналогично вращаются и неправильные галактики, являющиеся также плоскими звездными системами.

Эллиптические галактики состоят из звезд второго типа населения. Вращение обнаружено лишь у наиболее сжатых из них. Космической пыли в них, как правило, нет, чем они отличаются от неправильных и особенно спиральных галактик, в которых поглощающее свет пылевое вещество имеется в большом количестве.

В спиральных галактиках поглощающее свет пылевое вещество имеется в большем количестве. Оно составляет от нескольких тысячных до сотой доли полной их массы. Вследствие концентрации пылевого вещества к экваториальной плоскости, оно образует темную полосу у галактик, повернутых к нам ребром и имеющих вид веретена.

Последующие наблюдения показали, что описанная классификация недостаточна, чтобы систематизировать все многообразие форм и свойств галактик. Так, были обнаружены галактики, занимающие в некотором смысле промежуточное положение между спиральными и эллиптическими галактиками (обозначаются Sо). Эти галактики имеют огромное центральное сгущение и окружающий его плоский диск, но спиральные ветви отсутствуют. В 60-х годах ХХ века были открыты многочисленные пальцеобразные и дисковидные галактики со всеми градациями обилия горячих звезд и пыли. Еще в 30-х годах ХХ века были открыты эллиптические карликовые галактики в созвездиях Печи и Скульптора с крайне низкой поверхностной яркостью, настолько малой, что эти, одни из ближайших к нам, галактик даже в центральной своей части с трудом видны на фоне неба. С другой стороны, в начале 60-х годов ХХ века было открыто множество далеких компактных галактик, из которых наиболее далекие по своему виду не отличимы от звезд даже в сильнейшие телескопы. От звезд они отличаются спектром, в котором видны яркие линии излучения с огромными красными смещениями, соответствующими таким большим расстояниям, на которых даже самые яркие одиночные звезды не могут быть видны. В отличие от обычных далеких галактик в которые, из-за сочетания истинного распределения энергии в их спектре и красного смещения выглядят красноватыми, наиболее компактные галактики (называющиеся также квазозвездными галактиками) имеют голубоватый цвет. Как правило, эти об'екты в сотни раз ярче обычных сверхгиганских галактик, но есть и более слабые. У многих галактик обнаружено радиоизлучение нетепловой природы, возникающее, согласно теории руссого астронома И.С.Шкловского, при торможении в магнитном поле электронов и более тяжелых заряженных частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света (так называемое синхотронное излучение). Такие скорости частицы получают в результате грандиозных взрывов внутри галактик.

Компактные далекие галактики, обладающие мощным нетепловым радиоизлучением, называются N-галактиками.

Звездообразные источники с таким радиоизлучением, называются квазарами (квазозвездными радиоисточниками), а галактики обладающие мощным радиоизлучением и имеющие заметные угловые размеры, - радиогалактиками. Все эти объекты чрезвычайно далеки от нас, что затрудняет их изучение. Радиогалактики, имеющие особенно мощное нетепловое радиоизлучение, обладают преимущественно эллиптической формой, встречаются и спиральные.

Радиогалактики - это галактики, у которых ядра находятся в процессе распада. Выброшенные плотные части, продолжают дробиться, возможно, образуют новые галактики - сестры, или спутники галактик меньшей массы. При этом скорости разлета осколков могут достигать огромных значений. Исследования показали, что многие группы и даже скопления галактик распадаются : их члены неограниченно удаляются друг от друга, как если бы они все были порождены взрывом.

Галактики - сверхгиганты имеют светимости, в 10 раз превышающие светимость Солнца, квазары в среднем еше в 100 раз ярче; слабейшая же из известных галактик - карликов сравнимы с обычными шаровыми звездными скоплениями в нашей галактике. Их светимость составляет около 10 светимости солнца.

Размеры галактик весьма разнообразны и колеблются от десятков парсек до десятков тысяч парсек.

Пространство между галактиками, особенно внутри скоплений галактик, по-видимому, содержит иногда космическую пыль. Радиотелескопы не обнаруживают в них ощутимого количества нейтрального водорода, но космические лучи, пронизывают его насквозь так же, как и в электромагнитное излучение.

Галактика состоит из множества звезд различных типов, а также звездных скоплений и ассоциаций, газовых и пылевых туманностей и отдельных атомов и частиц, рассеянных в межзвездном пространстве. Большая часть их занимает об"ем линзообразной формы поперечником около 30 и толщиной около 4 килопарсек (соответственно около 100 тысяч и 12 тысяч световых лет). Меньшая часть заполняет почти сферический об"ем с радиусом около 15 килопарсек (около 50 тысяч световых лет).

Все компоненты галактики связаны в единую динамическую систему, вращающуюся вокруг малой оси симметрии. Земному наблюдателю, находящемуся внутри галактики, она представляется в виде Млечного Пути (отсюда и ее название - "Галактика") и всего множества отдельных звезд, видимых на небе.

Звезды и межзвездная газо-пылевая материя заполняют объем галактики неравномерно : наиболее сосредоточены они около плоскости, перпендикулярной оси вращения галактики и составляющейся плоскостью ее симметрии (так называемой галактической плоскостью). Вблизи линии пересечения этой плоскости с небесной сферой (галактического экватора) и виден Млечный Путь, средняя линия которого представляет собой почти большой круг, так как Солнечная система находится недалеко от этой плоскости. Млечный Путь представляет собой скопление огромного количества звезд, сливающихся в широкую белесую полосу; одноко звезды, проектирующиеся на небе рядом, удалены друг от друга в пространстве на огромные расстояния, исключающие их столкновения, несмотря на то, что они движутся с большими скоростями (десятки и сотни км/сек) в направлении полюсов галактики (ее северный полюс находится в созвездии Волос Вероники). Общее количество звезд в галактике оценивается в 100 миллиардов.

Межзвездное вещество рассеяно в пространстве также не равномерно, концентрируясь преимущественно вблизи галактической плоскости в виде глобул, отдельных облаков и туманностей (от 5 до 20 - 30 парсек в поперечнике), их комплексов или аморфных диффузных образований. Особенно мощные, относительно близкие к нам темные туманности представляются невооруженному глазу в виде темных прогалин неправильных форм на фоне полосы Млечного Пути; дефицит звезд в них является результатом поглащения света этими несветящимися пылевыми облаками. Многие межзвездые облака освещены близкими к ним звездами большой светимости и представляются в виде светлых туманностей, так как светятся либо отраженным светом (если состоят из космических пылинок) либо в результате возбуждения атомов и последующего испускания ими энергии (если туманности газовые).

Наши дни с полным основанием называют золотым веком астрофизики - замечательные и чаще всего неожиданные открытия в мире звезд следуют сейчас одно за другим. Солнечная система стала прследнее время предметом прямых экспериментальных, а не только наблюдательных исследований. Полеты межпланетных космических станций, орбитальных лабораторий, экспедиции на Луну принесли множество новых конкретных знаний о Земле, околоземном пространстве, планетах, Солнце. Мы живем в эпоху поразительных научных открытий и великих свершений. Самые невероятные фантазии неожиданно быстро реализуются. С давних пор люди мечтали разгадать тайны Галактик, разбросанных в беспредельных просторах Вселенной. Приходится только поражаться, как быстро наука выдвигает различные гипотезы и тут же их опровергает. Однако астрономия не стоит на месте : появляются новые способы наблюдения, модернизируются старые. С изобретением радиотелескопов, например, астрономы могут 'заглянуть' на расстояния, которые еще в 40-x. годах ХХ столетия казались недоступными. Однако надо себе ясно представить огромную величину этого пути и те колоссальные трудности, с которыми еще предстоит встретится на пути к звездам.

 

Состав Галактики

 

Нашу галактику называют просто Галактикой. Она имеет средние размеры и состоит примерно из 150 − 200 млрд звезд, включая Млечный путь (древнее название полосы звезд на небе, отмечающих плоскость нашей Галактики), и представляет собой огромный диск, который состоит из звезд и звездных скоплений, вращающихся в пространстве, подобно гигантскому колесу. Звез­ды, входящие в Галактику, описывают вокруг ее центра окружно­сти разного диаметра (рис. 1).

Рис. 1 Схема Галактики (крестиком обозначено положение Солнца): а) вид сверху; б) вид сбоку (черные точки изображают шаровые скопления)

 

Звёзды и межзвёздная газопылевая материя заполняют объём галактики неравномерно: наиболее сосредоточены они около плоскости, перпендикулярной оси вращения галактики и являющейся плоскостью её симметрии (т. н. галактической плоскостью). Вблизи линии пересечения этой плоскости с небесной сферой (галактического экватора) и виден Млечный Путь, средняя линия которого представляет собой почти большой круг, т. к. Солнечная система находится недалеко от этой плоскости. Млечный Путь представляет собой скопление огромного количества звёзд, сливающихся в широкую белёсую полосу; однако звёзды, проектирующиеся на небе рядом, удалены друг от друга в пространстве на огромные расстояния, исключающие их столкновения, несмотря на то, что они движутся с большими скоростями (десятки и сотни км/сек) в разных направлениях. Наименьшая плотность распределения звёзд в пространстве (пространственная плотность) наблюдается в направлении полюсов галактики (её северный полюс находится в созвездии Волос Вероники). Общее количество звёзд в галактике оценивается в 100 млрд.

Межзвёздное вещество рассеяно в пространстве также неравномерно, концентрируясь преимущественно вблизи галактической плоскости в виде глобул, отдельных облаков и туманностей (от 5 до 20—30 парсек в поперечнике), их комплексов или аморфных диффузных образований. Особенно мощные, относительно близкие к нам тёмные туманности представляются невооруженному глазу в виде тёмных прогалин неправильных форм на фоне полосы Млечного Пути; дефицит звёзд в них является результатом поглощения света этими несветящимися пылевыми облаками. Многие межзвёздные облака освещены близкими к ним звёздами большой светимости и представляются в виде светлых туманностей, т. к. светятся либо отражённым светом (если состоят из космических пылинок), либо в результате возбуждения атомов и последующего испускания ими энергии (если туманности газовые).

Полная масса галактики, включая все звёзды и межзвёздное вещество, оценивается в 10¹¹ масс Солнца, т. е. около 10⁴⁴ г. Как показывают результаты детальных исследований, строение галактики схоже со строением большой галактики в созвездии Андромеды, галактики в созвездии Волос Вероники и др. Однако, находясь внутри галактики, мы не можем видеть всю её структуру в целом, что затрудняет её изучение.

Галактика имеет резко выраженное подсистемное строение; различают три подсистемы: плоскую, промежуточную и сферическую. Плоская подсистема характеризуется наличием молодых горячих звёзд, переменных звёзд типа долгопериодических цефеид, звёздных ассоциаций, рассеянных звёздных скоплений и газо-пылевого вещества. Все они сосредоточены у галактической плоскости в форме экваториального диска (толщиной 1/20 поперечника галактики). Средний возраст звёздного населения диска около 3 млрд. лет. Слабее концентрируются к плоскости галактики жёлтые и красные звёзды-карлики и звёзды-гиганты, занимающие объём в виде сильно сплюснутого эллипсоида. Все субкарлики, жёлтые и красные гиганты, переменные звёзды типа короткопериодических цефеид и шаровые звёздные скопления образуют сферическую составляющую (иногда называется гало), заполняя сферический объём (со средним диаметром, превышающим 30 тыс. парсек, т. е. 100 тыс. световых лет) с резким падением плотности в направлении от центральных областей к периферии. Её возраст более 5 млрд. лет. Объекты различных составляющих отличаются друг от друга также и скоростями движения, и химическим составом. Звёзды плоской составляющей имеют большие скорости движения относительно центра галактики и они богаче металлами. Это указывает на то, что звёзды разных типов, относящиеся к разным подсистемам, формировались при различных начальных условиях и в различных областях пространства, занимаемого галактическим веществом. Вся галактическая система погружена в обширную газовую массу, которую иногда называют галактической короной. Из центральной области галактики распространяются вдоль галактической плоскости спиральные ветви, которые, огибая ядро и разветвляясь, постепенно расширяются, теряя яркость. Спиральной структурой, оказавшейся весьма характерным свойством галактик на некотором этапе их эволюции, галактика сходна с множеством др. звёздных систем того же типа, что и она, имеющих такой же звёздный состав. В развитии спиральной структуры, по-видимому, играют роль гравитационные силы и магнитогидродинамические явления, при этом на неё влияют и особенности вращения галактики. Вдоль спиральных ветвей происходит звездообразование и они населены наиболее молодыми галактическими объектами.

Вопросы эволюции галактики в целом или отдельных её составных элементов имеют большое мировоззренческое значение. В течение долгого времени господствовал взгляд об одновременном образовании всех звёзд и др. объектов галактики. Такой взгляд связывался с признанием единовременного происхождения всех галактик в одной точке Вселенной и их последующего «разбегания» в разные стороны от неё. Однако детальные исследования, основанные на многочисленных наблюдениях, привели к заключению (советский астроном В. А. Амбарцумян), что процесс звёздообразования продолжается и в настоящую эпоху.

Проблема происхождения и развития звёзд в галактике является фундаментальной проблемой. Существуют две главные, но противоположные точки зрения на формирование звёзд. Согласно первой из них, звёзды образуются из газовой материи, в значительном количестве рассеянной в галактике и наблюдаемой оптическими и радиоастрономическими методами. Газовое вещество там, где его масса и плотность достигают достаточно большой величины, сжимается и уплотняется под действием собственного притяжения, образуя холодный шар. В процессе дальнейшего сжатия температура внутри него, однако, повышается до нескольких млн. градусов; этого достаточно для возникновения термоядерных реакций, которые вместе с процессами излучения и обусловливают дальнейшую эволюцию этого шара —звезды. Согласно второй точке зрения, звёзды образуются из некоторого сверхплотного вещества. Сверхплотное вещество такого рода ещё не обнаружено и его свойства неизвестны, но то обстоятельство, что в наблюдаемой Вселенной процессы истечения масс из звёзд, деления и распада систем наблюдаются во многих случаях, процессы же образования звёзд из межзвёздного вещества не наблюдаются, говорит в пользу второй точки зрения.

Предполагается, что галактика в целом развилась в процессе конденсации первичного газового облака, богатого водородом; образовавшиеся при этом звёзды в нашу эпоху наблюдаются как звёзды сферической составляющей, бедные металлами и имеющие наибольший возраст. Первичное газовое облако, продолжая сжиматься под действием гравитационных сил, обогащалось металлами за счёт выбрасывания вещества из недр ранее образовавшихся звёзд, в которых уже в течение многих сотен млн. лет шли внутриядерные реакции и водород превращался в более тяжёлые элементы. Поэтому более позднее «поколение» звёзд, образовавшее диск галактики, оказалось более богатым металлами. Эта концепция объясняет наблюдаемое распределение скоростей звёзд и расслоение последних по подсистемам. Тем не менее в изложенной картине остаётся немало противоречий.

 

 

Заключение

 

Еще задолго до того, как были установлены огром­ные расстояния до галактик, человечество постоянно задавалось вопросом: «есть ли граница мира и если есть, то что за ней?». Учение о мире как целом составляет предмет космологии. По этому поводу вправе высказываться и философия, и математика, в которой трактуется понятие бесконечности, и астрономия, изучающая конкретные небесные тела. Вопрос этот оказывается очень сложным и многогранным. Фило­софия диалектического материализма утверждает, что материя и ее движение вечны, хотя и меняют форму. В бесконечном многообразии явлений в природе, яв­лений всегда материальных, теперь едва ли сомне­вается кто-либо из естествоиспытателей, хотя защит­ники идеализма и пытаются всякое новое, еще не по­нятное явление природы истолковать идеалистически. В этом они терпят, однако, неудачу с каждым про­движением науки вперед. Сейчас, по-видимому, мало кто из ученых допускает, чтобы Вселенная имела гра­ницу — «стенку», в которую можно упереться. Одна­ко вопрос о том, конечна ли Вселенная и каковы свойства пространства, в котором мы живем, мож­но попытаться проверить путем наблюдений в Космосе.[7]

В школе изучают евклидово пространство, в ко­тором две прямые никогда не пересекаются. Но наш великий математик Лобачевский показал, что мысли­мо пространство с другими свойствами. Позднее Эйн­штейн доказал в своей теории относительности, что реальное физическое, а не абстрактное пространство, заполненное материей, может иметь кривизну, обус­ловленную существованием материи. Советский уче­ный А. А. Фридман, а за ним другие ученые математи­чески разработали модели вселенных, опирающихся на теорию относительности. Таких моделей создано немало и большинство их — это модели безграничной, но конечной Вселенной. Сочетание безграничности и в то же время конечности поясняют обычно на гру­бом примере шара. У него нет границ для двухмерного существа, могущего перемещаться только по поверх­ности шара. В то же время размер поверхности шара конечен. Размеры шара могут увеличиваться, умень­шаться или пульсировать, оставаясь конечными.

Свойства конечной Вселенной теоретически зави­сят от средней плотности вещества в ней, от степени однородности этой плотности от места к месту. Обра­щаясь к наблюдения, мы можем изучать пока толь­ко часть Метагалактики, которую часто и неоснова­тельно отождествляют со Вселенной в целом.[8]

Мы узнали, что галактики удаляются друг от дру­га, судя по красному смещению в их спектрах, и тем быстрее, чем они друг от друга дальше. Мы имеем некоторые сведения о массах галактик и об их рас­пределении в пространстве. Очевидно, Метагалактика расширяется, но какая модель Вселенной больше все­го на это похожа? Оказывается, что это можно вы­яснить, если установить связь величины красного смещения с расстоянием до галактики, если его опре­делить другим независимым путем (а не по величине того же красного смещения. Для той же цели может служить и распределение очень далеких галактик (или источников радиоизлучения) в пространстве.[9] Расстояние до скоплений галактик, как мы говорили, можно определить по видимому блеску ярчайших га­лактик в них. Результаты наблюдений сравниваются с выводами теории для разных моделей Вселенной. Современное наше проникновение в глубину Метага­лактики и точность наших данных еще недостаточны для уверенного, окончательного вывода. Все же боль­шинство ученых склоняется сейчас к выводу, что Ме­тагалактика конечна и расширяется с замедлением, которое создает взаимное тяготение. Вероятно, су­ществует пульсация если не Вселенной, то Метагалак­тики, и когда-либо расширение сменится сжатием.

Из факта расширения Метагалактики можно сде­лать вывод, что несколько миллиардов лет назад ее объем был так мал, что галактики не могли существо­вать как отдельные объекты. Это, конечно, не озна­чает, что тогда и было «сотворение мира», как хотят заключить идеалисты. Просто тогда вещество сущест­вовало в иной форме. Возможности превращения ве­щества безграничны и оно не всегда было и не всегда будет существовать в тех видах, в каких мы наблю­даем его вокруг себя сейчас.

 

 

Список литературы

 

1.  Гулыга А.В. Кант. - 2-е изд. - М., Мол. гвардия, 1981.

2.  Данлоп С. Азбука звездного неба. М., “Мир”, 1990.

3.  ЗасоваА.В. «Космология и наблюдения». М., 1985.

4.  Зельманова А.Л. «Метагалактика и Вселенная». М., 1982.

5. История астрономии: Пер. с англ. / А. Панненкук.—М.: Наука, 1966.—592 с.: ил.

6.  Кант И. Сочинения в шести томах. М., 1963 - 1966.,Т.2.

7. Киппенхан р. 100 миллиардов солнц. М., “Мир”, 1990.

8. Нарский И.С. Кант. М., 1976.

9. О системах галактики / М. Б. Сизов.—М.: Прометей, 1992.—16 с.

10. Происхождение и эволюция Земли и других планет Солнечной системы / А. А. Маракушев.—М.: Наука, 1992.—204 с.

11. Физическая модель Вселенной / Б. П. Иванов.—СПб.: Политехника, 2000.—312 с.

12. Эволюция солнечной системы: Пер. с англ. / Х. Альвен, Г. Аррениус.—М.: Мир, 1979.—511 с.

13.  Энциклопедический словарь астронома., М., “Педагогика” , 1980.

[1] Кант И. Сочинения в шести томах. М., 1963 - 1966.,Т.2, стр.256.

[2] Нарский И.С. Кант. М., 1976.,стр.97-98.

[3] Гулыга А.В. Кант. - 2-е изд. - М., Мол. гвардия, 1981.,стр.44.

[4] Киппенхан р. 100 миллиардов солнц. Москва., “Мир”, 1990 г.,стр.311.

[5] Журнал “Земля и Вселенная” 1/92 ; 1/91 ; 5/92 .

[6] Энциклопедический словарь астронома., Москва, “Педагогика” , 1980 г., стр.347.

[7] Данлоп С. Азбука звездного неба., Москва, “Мир”, 1990 г.,стр.56-57.

[8] Киппенхан р. 100 миллиардов солнц. Москва., “Мир”, 1990 г.,стр.112.

[9] ЗасоваА.В. «Космология и наблюдения».,Москва, в № 4 журнала «Земля и Вселенная» за 1985 г., стр.24.

---

Дата добавления: 2021-04-24; просмотров: 126; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!