Мир, Земля, Космос, Вселенная…

Тысячелетиями пытливое человечество обращало свои взгляды на окружающий мир, стремилось постигнуть его, вырваться за пределы окружающего мира.

Величественная картина небесного купола, усеянного мириадами звезд, с незапамятных звезд волновала ум и воображение ученых, поэтов, каждого живущего на Земле.

Что есть Земля, Луна, Солнце, звезды? Где начало и где конец Вселенной, как долго она существует, из чего состоит и где границы ее познания?

Столетия мы были узниками Солнечной системы, считая звезды просто украшениями сферы, расположенной за планетами. Потом человек признал в этих крошечных светящихся точках другие солнца, настолько далекие, что их свет идет до Земли многие годы. Казалось, что космос населен редкими одинокими звездами, и ученые спорили о том, простирается ли звездное население в пространстве неограниченно или же за некоторым пределом звезды кончаются и начинается пустота. Проникая все дальше и дальше, астрономы нашли такой предел, и оказалось, что наше Солнце - одна из огромного числа звезд, образующих систему под названием Галактика. За границей Галактики была тьма.

ХХ век принес новое открытие: наша Галактика - это еще не вся Вселенная. За самыми далекими звездами Млечного Пути находятся другие галактики, похожие на нашу и простирающиеся в пространстве до пределов видимости наших крупнейших телескопов. Грандиозные звездные системы - одни из самых потрясающих и наиболее изучаемых современной астрономией объектов.

Так что же такое звезды, звездные системы, галактики и метагалактики?

Звезды - это массивные горячие газовые шары подобные Солнцу. Они имеют различный блеск, различный цвет, различный спектр. Звезды движутся, излучают огромное количество энергии в пространство и поэтому, теряя эту энергию, не могут не изменяться: они должны проходить какой-то путь эволюции.

Звездные системы или звездные скопления - это группы из большого числа звезд, связанные взаимным тяготением.

Галактики это гигантские звездные системы. Звездная система, в составе которой как рядовая звезда находится наше Солнце, называется Галактикой.

Метагалактикой является объединение галактик примерно такого порядка, каким для звезд нашей системы является Галактика. Следует предположить существование и других метагалактик.

История открытия других звездных систем

В 1781 году французский астроном иностранный почетный член Петербургской Академии наук России Шарль Мессье (1730-1817), проводя наблюдения за кометами, составил первого каталога туманностей и звездных скоплений. Каталог Ш.Мессье был небольшой и насчитывал только 108 наиболее ярких туманных объектов. Из 108 объектов каталога 29 оказались рассеянными скоплениями звезд и 29 - шаровыми скоплениями.

В 1888 году датский астроном Йохан Людвиг Дрейер (1852-1926) опубликовал значительно более обширный список 7840 туманных объектов, названный им Новым общим каталогом (New General Catalogue) туманностей и скоплений. Этим каталогам теперь обычно пользуются для обозначения туманного объекта. Например, объект, стоящий под № 5139 в каталоге Й.Дрейера (в данном случае шаровое скопление в созвездии Центавр), обозначается NGC 5139. В 1894 и 1908 годах Й.Дрейер издал дополнения к своему каталогу, так называемые индекс-каталоги (Index Catalogue), насчитывающие в совокупности 5386 туманных объектов, которые обозначаются буквами IC.

Природа 39 объектов каталога Ш.Мессье - объектов, имеющих спиралевидную или эллиптическую форму, долгое время оставалась неясной. Основной вопрос, являются они галактическими или внегалактическим объектами, разрешился лишь в нашем веке.

В 1917 году американские астрономы Хебер Кертис (1872-1942) и Джордж Уиллис Ричи (1864-1945) обнаружили вспышки новых звезд в соседних галактиках и впервые правильно оценили расстояние до них.

Х.Кертис и Дж.Ричи заметили, что в спиральном объекте NGC 224, называемой Туманностью Андромеды, появляются и через несколько дней исчезают ярки точки. Ученые правильно предположили, что это новые звезды, наблюдаемые в момент максимума блеска. Проведя необходимые астрономические измерения и вычисления, они установили, что расстояние до Туманности Андромеды в 15 раз больше диаметра нашей Галактики и содержит около 100 миллиардов звезд.

Окончательно вопрос прояснился в 1924-1926 года, когда американский астроном Эдвин Пауэлл Хаббл (1889-1953) при помощи 2,5-метрового телескопа обсерватории Маунт Вилсон, применяя большие экспозиции, получил фотографии туманности в созвездии Андромеды, на которых ее спиральные ветви вышли в виде множества слабых светящихся точек - звезд. Туманность, как говорят ученые, была разрешена на звезды. То же удалось сделать для спиральных ветвей еще нескольких туманностей. В 1944 году ученые обсерватории Маунт Паломар разрешили на звезды ядро туманности в созвездии Андромеды и ядро спиральной туманности NGC 598, а также несколько эллиптических туманностей. Таким образом, стало ясно, что эти объекты являются звездными системами наподобие нашей Галактики. Поэтому их стали называть галактиками.

Началась новая эпоха в астрономии. Оказалось, что миллионы туманных объектов, наблюдаемых почти во всех уголках неба, - это разнообразные, отличающиеся друг от друга формой, размерами, населенностью звездные системы. Самые слабые из них, еще наблюдаемые в современные телескопы, находятся на расстоянии сотен миллионов парсек. Таким образом, в десятки тысяч раз увеличился радиус исследуемого человеком мира.

3. Типы галактик

Внешний вид галактик чрезвычайно разнообразен, и некоторые из них очень живописны. Э. Хаббл избрал самый простой метод классификации галактик по внешнему виду, и нужно сказать, что хотя в последствии другими выдающимися исследователями были внесены разумные предположения по классификации, первоначальная система, выведенная Хабблом, по прежнему остается основой классификации галактик.

Хаббл предложил разделить все галактики на три основных вида:

Эллиптические (Е - elliptical).

Спиральные (S - spiral).

Неправильные (I - irregular).

Классификация галактик по Хабблу приведена на рис.1.

. Эллиптические галактики

Эллиптические галактики внешне самый невыразительный тип галактик. Они имеют вид гладких эллипсов или кругов с общим падением яркости по мере удаления от центра к периферии. Падение яркости описывается простым математическим законом, который открыл Хаббл. На языке астрономов это звучит так: эллиптические галактики имеют концентрические эллиптические изофоты, т. е. если соединить одной линией все точки изображения галактики с одинаковой яркостью и построить такие линии для разных значений яркости (аналогично линиям постоянной высоты на топографических картах), то мы получим ряд вложенных друг в друга эллипсов примерно одинаковой формы и с общим центром.

Эллиптические галактики состоят из звезд красных и желтых гигантов, красных и желтых карликов и некоторого количества белых звезд не очень высокой светлости. В них отсутствуют бело-голубые сверхгиганты и гиганты, группировки которых можно наблюдать в виде ярких сгустков, придающих структурность системе, нет пылевой материи, которая, в тех галактиках где она имеется, создает темные полосы, оттеняющие форму звездной системы. Поэтому внешне эллиптические галактики отличаются друг от друга в основном одной чертой - большим или меньшим сжатием.

Подтипы эллиптических галактик обозначаются как Еn, определяемая по формуле

n=10(a-b)/a,

где n - степень сжатия, а и b - соответственно большая и малая полуоси какой-либо изофоты галактики. Таким образом, эллиптическая галактика круглой формы будет отнесена к типу ЕО, а сильно сплюснутая может быть классифицирована как Е7.

Эллиптические галактики наблюдаются в форме эллипса. Но галактика - это не плоская фигура, а тело, которое если его рассматривать из некоторой точки, представляется эллипсом. Однако необходимо выяснить действительную форму эллиптических галактик.

Можно предположить, что эллиптические галактики обращены к нам различными сторонами, и со всех сторон они наблюдаются в виде эллипсов. Тогда из этого вытекает следующий вывод: - эллиптические галактики представляют собой сжатый эллипсоид вращения, который при его проекции на плоскость дает эллипс.

В зависимости от того, с какой стороны наблюдать сжатый эллипсоид вращения, он представляется более сжатым или менее сжатым эллипсом. Самое большое сжатие будет наблюдаться, если луч зрения перпендикулярен к оси вращения, т.е. галактика наблюдается с ребра. В этом случае сжатие эллипса характеризует форму эллипсоида и мы его назовем истинным сжатием эллиптической галактики. Чем меньше угол между лучом зрения и осью вращения эллипсоида, тем менее сжат наблюдаемый эллипс, а при совпадении луча зрения с осью вращения, т.е. при наблюдении в плане, будет виден круг.

В результате проведения исследований эллиптических галактик было выяснено, что среди эллиптических галактик, входящих в состав скоплений галактик, преобладают галактики с показателями истинного сжатия 4, 5, 6, 7 и почти нет слабо сжатых и сферических галактик. А среди эллиптических галактик вне скоплений, наоборот, подавляющее большинство - галактики с очень слабым сжатием или сферические с показателем истинного сжатия равным 1 и 0.

3.2. Спиральные галактики

Спиральные галактики это может быть самые живописные объекты во Вселенной и, в отличие от эллиптических галактик, являют собой пример динамичности формы. Их красивые ветви, выходящие из центрального ядра и как бы теряющие очертания за пределами галактики, указывают на мощное, стремительное движение.

Идеальные спиральные галактики имеют две спиральные ветви (рукава), исходящие либо прямо из ядра, либо из двух концов бара (перемычки), в центре которого расположено ядро. Этот признак позволил разделить спиральные галактики на два основных подтипа: нормальные спиральные галактики (S) и пересеченные спиральные галактики (SB). Нормальных спиральных галактик во много раз больше, чем пересеченных.

Дальнейшее разделение спиральных галактик на подтипы проводится по следующим трем критериям:

относительной величине ядра по сравнению с размерами всей галактики (Sa, SBa);

по тому, насколько сильно или слабо закручены спиральные ветви (Sb, SBb);

фрагментарности спиральных ветвей (Sc, SBc).

1. Классификация галактик по Хабблу

Спиральные галактики типа Sa - галактики, у которых ветви развиты слабо, в некоторых случаях только намечаются. Ядра у этих галактик всегда большие, обычно составляют около половины наблюдаемого размера самой галактики. Как правило, у галактик типа Sa две спиральные ветви, берущие начало в противоположных точках ядра, развивающиеся сходным, симметричным образом и теряющиеся в противоположных областях периферии галактики.

Спиральные галактики типа Sb - галактики, имеющие относительно небольшие ядерные области, и с заметно развитыми спиральными ветвями. Ярким примером галактик этого типа является галактики известная как Туманность Андромеды (NGC224).

Галактики типа Sc характеризуются сильно фрагментированными обрывочными спиральными ветвями.

пересеченных спиральных галактик (или спиральных галактик с перемычкой) ядро находится в середине прямой перемычки, и спиральные ветви начинаются лишь у концов этой перемычки. Эти галактики также делятся на описанные выше типы и обозначаются соответственно Sba, SBb и SBc. Присутствие буквы "B" в обозначении галактики указывает на наличие у нее перемычки (от английского слова bar - перемычка).

спиральных галактик представляет собой яркую область, обладающую многими признаками эллиптической галактики. Закон падения яркости, открытый Хабблом для эллиптических галактик, оказался справедливым и для центральных ядерных областей спиральных галактик, и поэтому эти области иногда называют "эллиптическим компонентом".

всех спиральных галактик, наблюдаемых с ребра, видна темная полоса, как бы разделяющая галактику на две части. Эти темные полосы показывают на наличие у спиральных галактик темной пылевой материи, сосредоточенной около плоскости симметрии галактик.

вычислить по формуле (1) коэффициент сжатия у наблюдаемых с ребра спиральных галактик, то он всегда больше сети. Для спиральных галактик типа Sa получается величина близкая к 8, для галактик типа Sb - от 8,5 до 9, для Sc - больше 9.

Спиральные галактики, наблюдаемые с ребра, имеют вид сильно сжатого эллипса с утолщением - ядром в центре и полосой темной материи, тянущейся вдоль ребра. Однако в некоторых областях пространство встречаются галактики сильно сжатые и имеющие ядро, как спиральные галактики, но лишенные спиральной структуры и поэтому при наблюдении в плане похожие на эллиптические галактики и не имеющие темной полосы вдоль ребра. Эти галактики получили обозначение S0 и называются чечевицеобразными.

. Неправильные галактики

Рассмотренные выше типы галактик характеризовались симметричностью формы и определенным характером рисунка. Но встречается большое число галактик неправильной формы, без какой-либо общей закономерности структурного строения. Это так называемые неправильные галактики, обозначаемые Irr.

Неправильная форма у галактики может быть вследствие того, что она не успела принять правильной формы из-за малой плотности в ней материи или из-за молодого возраста, а также возможно искажение формы галактики вызвано вследствие ее взаимодействия с другой галактикой.

Астрономы предполагают, что во Вселенной встречаются оба описанных случая и в связи с этим разделяют неправильные галактики на два типа: тип Irr I и тип Irr II.

Тип Irr I характеризуется сравнительно высокой поверхностной яркостью и сложностью неправильной структуры. Французский астроном Вокулер в некоторых галактиках этого типа, например в Магелановых Облаках, обнаружил признаки разрушенной спиральной структуры. Кроме того, Вокулер заметил, что галактики типа Irr I часто встречаются парами. Поэтому ученый пришел к выводу, что эти галактики в прошлом были правильными, некоторые, в частности, спиральными. Однако в результате взаимодействия с другой, находящейся или находившейся близко галактикой, форма галактики исказилась, а если имелась спиральная структура, то она в значительной степени разрушилась.

Неправильные галактики типа Irr II отличаются очень низкой поверхностной яркостью. Эта черта выделяет их среди галактик всех других типов. Низкая поверхностная яркость галактики при обычных линейных размерах означает, что в ней очень мала плотность материи.

3.4. Почему галактики разные

Как только галактики были открыты, астрономы пытались установить, под действием каких процессов галактики принимают ту или иную форму. В некоторых из ранних теорий предполагалось, что разные типы галактик представляют собой эволюционную последовательность. Согласно одной из таких гипотез, галактики начинают свой эволюционный путь как эллиптические, потом у них развивается спиральная структура и, наконец, эта структура распадается и объект превращается в хаотическую неправильную галактику. Другие астрономы предполагали противоположное направление эволюции: галактики возникают как неправильные, закручиваясь, превращаются в спиральные и завершают свою эволюцию в простой и симметричной эллиптической форме. В основе обеих теорий была гипотеза о том, что тип галактики связан с ее возрастом. Обе гипотезы были опровергнуты. Оказалось, что галактики всех типов имеют примерно одинаковый возраст. Почти в каждой галактике присутствует хотя бы несколько звезд с возрастом в несколько миллиардов лет. Отсюда следует, что ни эллиптические, ни неправильные галактики не могут быть старше остальных.

Однако эллиптические галактики состоят почти исключительно из старых звезд, в то время как галактики других хаббловских типов содержат относительно больше молодых звезд. По-видимому, форма галактики связана со скоростью образования в ней новых молодых звезд уже после ее рождения, а, следовательно, и с распределением звезд по возрастам. В эллиптических галактиках очень мало звезд возникло после стадии образования галактики, и поэтому мы наблюдаем здесь ничтожное количество молодых звезд. В галактиках типа Sa звезды продолжают образовываться до сих пор, но скорость этого процесса невелика, в галактиках типа Sb темп звездообразования выше, галактики типа Sc очень активны, а наиболее бурно звездообразование протекает в галактиках типа Irr I.

Эти результаты навели исследователей на мысль о том, что последовательность хаббловских типов упорядочивает галактики по степени сохранения ими газа и пыли: неправильные галактики сберегли большую часть своего газа и своей пыли для постепенного рождения все новых и новых звезд, в то время как эллиптические галактики израсходовали почти весь свой исходный газ на первую взрывную вспышку звездообразования.

4.        Размеры и расстояния галактик

Космос населяют миллиарды галактик и им совсем не тесно. Вселенная достаточно огромна, чтобы галактики могли удобно в ней разместиться, и при этом еще остается много свободного пространства. Когда речь идет о галактиках, то обычно используют две единицы длины - световой год и парсек. Световой год равен расстоянию, которое свет проходит за год (около 10 миллионов миллионов километров). Парсек - это необычная единица длины, определяемая через видимое перемещение (параллакс) объекта на фоне неба, вызванное движением Земли по орбите вокруг Солнца. В одном парсеке 3,26 световых года, 1000 парсеков (пс) составляют 1 килопарсек (кпс), а 1000000 парсеков - 1 мегапарсек (Мпс).

Типичное расстояние между яркими галактиками составляет около 5-10 миллионов световых лет; оставшийся объем занимают карликовые галактики. Галактики довольно редко разбросаны во Вселенной и состоят, в основном, из пустого пространства. Даже если учесть разреженный газ, заполняющий пространство между звездами, то все равно средняя плотность вещества оказывается чрезвычайно малой. Мир галактик огромен и почти пуст.

Среди галактик, как и среди звезд, можно встретить галактики-карлики, галактики средней светимости, галактики-гиганты и галактики-сверхгиганты. Наша Галактика, а также Туманность Андромеды (NGC 224), которую можно наблюдать на небе невооруженным глазом, относятся к сверхгигантским галактикам. Такие выдающиеся по светимости, размерам и числу звезд галактики попадаются не более одной на тысячу галактик.

В таблице 1 приведены данные о десяти ярчайших галактиках неба.

В списке ярчайших галактик фигурируют сверхгигантские галактики NGC 4594 и NGC 253, их светимость даже больше светимости Туманности Андромеды. Но это уже сравнительно удаленные звездные системы. Еще более выдающимися сверхгигантами, чемпионами по светимости, являются две галактики, NGC 4874 и NGC 4889, находящиеся в центре скопления галактик в созвездии Волос Вероники. Их абсолютная звездная величина равна -22m . Следовательно, каждая из них светит как сеть галактик, подобных нашей. Сверхгигантскими принято считать такие галактики, абсолютные звездные величины (М) которых меньше чем -19m,0, а к числу гигантских относят галактики с -19m,0<M<-17m,0. Все ярчайшие галактики, кроме Малого Магеланова Облака, относятся к сверхгигантским или гиганстким галактикам. Галактики средних светимостей и галактики-калики в числе ярчайших, несмотря на их близость, не попадают. Галактики средних светимостей имеют -17m,0<M<-15m,0, а у карликов абсолютная звездная величина больше -15m,0. Очень многочисленны карликовые галактики с М=-14m,0 и -13m,0.

Таблица1 Десять ярчайших галактик

Рефераты    Главная    Иностранные языки    Инвестиции    Зоология    Журналистика    Режущий инструмент    Реклама и PR    Ресторанно-гостиничный       бизнес бытовое обслуживан    Римское право    Русский язык культура речи    Политика выборы власть    Политология политистория    Право    Юридическая психология    Финансы деньги и налоги    Философия    Теория организации    Теплотехника    Технология    Товароведение    Финансовые науки    Управленческие науки    Строительные науки    Авиация и космонавтика    Административное право    Безопасность       жизнедеятельности    Рефераты по рекламе    Рефераты по физике

Реферат: Звездные системы и метагалактика Реферат: Звездные системы и метагалактика Звездные системы и метaгалактика Содержание Введение……………………………………………………….……..… История открытия других звездных систем……………….……….... Типы галактик……………………………………………………….… Эллиптические галактики…...………………………………… Спиральные галактики………………………………………… Неправильные галактики……………………………………… Почему галактики разные. ……………………………………. Размеры и расстояния галактик…………………………………….… Состав и структура галактик………………………………..……..…. Образование и эволюция галактик…………………..………………. Радиогалактики………………………………….………….………… Скопления галактик. Метагалактика……………..………….……… Квазары…………………………………………………………..……. Космология. Космологические модели Вселенной………………… Закон всеобщего разбегания галактик……………………..…. Расширение Вселенной. Модель Вселенной………………..... Заключение……………………………………………………….….… Литература…………………………………………………………...… 3 4 5 5 6 8 9 10 15 17 22 24 27 31 31 33 34 34

В 20-х годах нашего столетия Э.Хаббл приступил к разработке программы построения шкалы расстояний, простирающейся до края наблюдаемой Вселенной (рис. 2).

Первой задачей Хаббла было определение расстояний до членов Местной группы галактик, в которую входят наша Галактика и ее ближайшие соседи. Особое внимание он уделил галактикам М 31, М 33 и NGC 6822, где им были открыты цефеиды (звезды с переменной яркостью). Результаты Хаббла для этих трех галактик образовали базу и первую ступень трехступенчатой хаббловской шкалы расстояний во Вселенной. Расстояния до галактик Местной группы до сих пор остаются фундаментом большинства шкал расстояний.

Далее план Хаббла состоял в использовании близких галактик и их расстояний для калибровки светимостей более ярких объектов с тем, чтобы измерять расстояния до более далеких областей пространства. Испробовав объекты разных типов, включая красные гиганты, звездные скопления и др. Хаббл обнаружил, что максимальные светимости ярчайших звезд во всех галактиках довольно одинаковы и мало меняются

при переходе от одной галактики к другой. Следовательно, видимый блеск самых ярких звезд галактики зависит от расстояния до галактики от наблюдателя. Большая коллекция фотографий многочисленных галактик с разрешаемыми ярчайшими звездами дала Хабблу в руки доказательства обоснованности его подхода. Хаббл собрал оценки блеска ярчайших звезд в большом списке галактик и в качестве второго шага прокалибровал расстояний до них, сравнивая эти значения блеска со светимостями самых ярких звезд в галактиках Местной группы, расстояния до которых были известны. Далее на третьем шаге он применил эти значения светимостей к еще более далеким галактикам за пределом, где разрешаются отдельные звезды.

В этот же период Э.Хаббл, В.Слайфер, М.Хьюмасон и другие астрономы занимались фотографированием спектров галактик и обнаружили, что некоторые из галактик, согласно результатам измерений доплеровского смещения спектральных линий, движутся с поразительными скоростями. Эффект Доплера представляет собой изменение длины волны наблюдаемого света от объекта, который приближается к наблюдателю или удаляется от него. Если объект приближается, то возникает фиолетовое смещение, а если удаляется, то красное. Э.Хаббл показал, что скорость относительного движения галактик прямо пропорциональна расстоянию между ними (рис. 3). Почти у всех галактик наблюдались красные смещения, что говорило о том, что они от нас удаляются. И только галактики Местной группы имели фиолетовое смещение. Например, средняя скорость удаления от галактик скопления в созвездии Девы составляет 1000 км/с. В настоящее время астрономы обнаружили объекты, удаляющиеся со скоростями, равными 80 и более процентов скорости света. Связь между скоростями галактик и расстояниями до них известна под названием закона Хаблла Vr = HD, (2)

где - Vr - лучевая скорость удаления галактики;

Н - постоянная Хаббла;

D - расстояние до галактики.

рис. 3. Зависимость Хаббла между скоростью удаления галактик

и расстоянием до них

Сейчас исследователи постоянную Хаббла обычно обозначают как Н0 - индекс говорит о том, что речь идет о современном значении, так как в прошлом величина постоянной могла быть иной.

Значительное событие на пути к надежной шкале расстояний во Вселенной произошло в 1958 г., когда американский астроном Алан Сэндидж продемонстрировал некоторые результаты по этой проблеме, полученные с помощью 200-дюймового телескопа, установленного на горе Паломар. Переработав исходную хаббловскую выборку галактик при помощи большого телескопа и новых методов, А.Сэндидж нашел в предыдущих работах несколько грубых ошибок, особенно в определении самых ярких звезд в галактиках. Результаты, полученные Сэндиджем, привели к шкале расстояний в семь раз превосходящей хаббловскую шкалу 1936 года. Сэндидж, например, установил, что скопление в созвездии Девы удалено на 50 млн. световых лет, а не на 7 млн. световых лет, которые оценил Хаббл. Вся Вселенная оказалась намного обширнее, чем считалось ранее.

Важным элементом последнего шага на пути к шкале расстояний во Вселенной является классификация галактик по светимостям, разработанной в 1960 г. Сидней Ван ден Бергом. Критерии светимости Ван ден Берга как бы расслаивают галактики в перпендикулярной плоскости по отношению к классификации Хаббла. Спиральная галактика определенного хаббловского типа, например Sc, может быть отнесена к любому из классов Ван ден Берга - от I до IV. При этом чем меньше номер класса, тем больше светимость соответствующей галактики. Калибровка по галактикам с известной светимостью показала, что объекты I класса имеют примерно в 5 раз большую светимость, чем объекты IV класса того же хаббловского типа. Хотя классификация Ван ден Берга носит качественный характер, многие астрономы, основываясь на результатах тестовых исследований, говорят о возможности ее применения для получения количественных оценок светимостей, свободных от систематических погрешностей.

Сэндидж использовал эту классификацию, прокалибровав ее на материале близких групп, и определил расстояния до 60 далеких галактики высокой светимости со скоростями в интервале от 3000 до 15500 км/с. Сравнение расстояний со скоростями дало ученым ответ: постоянная Хаббла еще меньше (а, следовательно, размеры Вселенной еще больше), чем считалось до этого. Если Хаббл получил для Н0 значение равное 160 км/(с*миллион световых лет), а Сэндидж в 1958 г. - 23 км/(с*миллион световых лет), то теперь Сэндидж говорил о величине в 15 км/(с*миллион световых лет) с погрешность, оцениваемой в 10%.

Необходимо отметить, что существует и другой подход по решению задачи построения шкалы расстояний галактик. Французский астроном Жерар де Вокулер отверг принципы и в значительной степени изменив методики Хаббла и Сэндиджа и получил существенно отличные результаты. Де Вокулер при определении постоянной Хаббла использовал 13 индикаторов расстояния в отличие от Сэндиджа, который использовал пять. Результатом на больших расстояниях явилась почти в точности в два раза более короткая, чем у Сэндиджа, шкала расстояний. Это значит, что размер Вселенной де Вокулера составляет всего половину размера Вселенной Сэндиджа, а его постоянная Хаббла в два раза больше, чем у Сэндиджа.

5. Состав и структура галактик

В состав галактик, кроме основной составляющей - звезд, входят также межзвездный газ и межзвездная пыль.

Ранее ученые полагали, что пространство, в котором находятся звезды, есть абсолютная пустота. Лишь отдельные астрономы время от времени поднимали вопрос о возможном поглощении света в межзвездной среде. И только в самом начале XX столетия немецкий астроном Гартман убедительно доказал, что пространство между звездами представляет собой отнюдь не мифическую пустоту. Оно заполнено газом, правда, с очень малой, но вполне определенной плотностью. Это выдающиеся открытие, так же как и многие другие, было сделано с помощью спектрального анализа.

Почти половину столетия межзвездный газ исследовался главным образом путем анализа образующихся в нем линий поглощения. Выяснилось, например, что довольно часто эти линии имеют сложную структуру, то есть состоят из нескольких близко расположенных друг к другу компонент. Каждая такая компонента возникает при поглощении света звезды в каком-нибудь определенном облаке межзвездной среды, причем облака движутся друг относительно друга со скоростью, близкой к 10 км/сек.

Химический состав межзвездного газа в первом приближении оказался довольно близким к химическому составу звезд. Преобладающими элементами являются водород и гелий, между тем как остальные элементы мы можем рассматривать как "примеси".

Межзвездный газ в галактиках обычно составляет несколько процентов от полной массы звезд. Больше всего газа встречается в неправильных галактиках (иногда до 50%) и меньше всего в эллиптических галактиках.

Межзвездная пыль лучше всего заметна в галактиках, диск которых виден нам с "ребра". Как уже отмечалось в главе 3, межзвездная пыль, находящаяся в плоскости диска, поглощает свет звезд, и галактика из-за этого кажется пересеченной темной полосой. Межзвездной пыль - это твердые микроскопические частицы вещества размером меньше микрона. Эти пылинки имеют сложный химический состав. Установлено, что пылинки имеют довольно вытянутую форму и в какой-то степени "ориентируются", то есть направления их вытянутости имеют тенденцию "выстраиваться" в данном облаке более или менее параллельно. По этой причине проходящий через тонкую среду звездный свет становится частично поляризованным.

Если по своему составу галактики сходны, то структура наблюдаемых галактик различна.

Проще всего выглядят эллиптические галактики: они ровные, однородные по цвету и симметричные. Их почти совершенное строение наводит на мысль об их существенной простоте, и действительно, параметры эллиптических галактик оказалось легче измерить и подыскать под них теоретические модели, чем сделать это для более сложных родственников этих объектов.

Рассмотрим, например, строение типичной эллиптической галактики NGC 1399. В ее центре находится яркое ядро, окруженное размытым сиянием, яркость которого падает по мере удаления от центра. Как и у всех эллиптических галактик, падение яркости описывается простой математической формулой. Форма контура галактики тоже остается почти одинаковой на всех уровнях яркости. Все изофоты представляют собой почти идеальные эллипсы, центрированные в точности на ядро галактики. Направления больших осей и отношения большой оси к малой почти одинаковы у всех эллипсов.

Фундаментальная простота эллиптических галактик согласуется с предположением о том, что они управляются небольшим числом сил. Орбиты звезд гладкие и хорошо перемешаны и ничто, кроме гравитации, не влияет на их расположение, и никакое непрерывное звездообразование не разрушило их правильности.

В отличие от эллиптических галактик для спиральных характерно наличие диска и балджа (утолщения). Спиральные рукава уступают диску и балджу по количеству содержащихся в них звезд, хотя и являются важными и выдающимися частями галактики. Диск спиральной галактики довольно плоский. Видимые с ребра галактики говорят о том, что толщина типичного диска составляет около 1/10 его диаметра.

С помощью методов моделирования на ЭВМ было доказано, что спиральные галактики представляют собой быстро вращающиеся звездные системы. Причиной образования балдж, которые обладают большинством структурных свойств эллиптических галактик, является то, что звезды начинают образовываться сначала в центральных областях галактик, где плотность самая высокая.

Спиральная структура спиральных галактик возникает из-за того, что внутренняя часть галактики вращается со скоростью, отличной от скорости внешней части и рукава постепенно закручиваются в спиральный узор. Для галактик с возрастом, характерным для окружающих нас галактик, число оборотов узора должно быть очень большим - примерно равным возрасту, деленному на средний период вращения - около 100. Однако у реальных спиральных галактик - по крайней мере у тех, что имеют четкие непрерывные спиральные ветви, наблюдаемая закрутка спирального узора составляет лишь на один-два оборота. Встает вопрос: как это объяснить? Проблема до настоящего времени не разрешена. Ученые отдают предпочтение магнитной, волновой и взрывной гипотезам, учитывающим астрофизическую сторону проблемы.

У многих спиральных галактик есть еще одна замечательная структурная особенность - концентрация звезд в форме бруска (бара), пересекающая ядро и простирающаяся симметричным образом в обе стороны. Данные измерений скоростей в них показывают, что бары вращаются вокруг ядра как твердые тела, хотя, разумеется, они на самом деле состоят из отдельных звезд и газа. Бары, встречающиеся в галактиках типа S0 или Sa, более ровные и состоят исключительно из звезд, в то время как бары в галактиках типов Sb, Sc и Irr часто содержат много газа и пыли. Все еще идут споры о движениях газа в этих барах. Некоторые данные свидетельствуют о том, что газ течет наружу вдоль бара, а по другим данным, он течет внутрь. В любом случае, существование баров не удивляет астрономов, изучающих динамику галактик. Численные модели показывают, что неустойчивости в диске вращающейся галактики могут проявляться в форме бара, напоминающего наблюдаемые.

6. Образование и эволюция галактик

Одна из задач современной астрономии - понять, как образовались галактики и как они эволюционируют. Во времена Э.Хаббла и Х.Шепли было заманчиво верить в то, что типы галактик соответствуют разным стадиям их развития. Однако эта гипотеза оказалась неверной, и задача реконструкции историй жизни, галактик оказалась трудной. Самой же трудной оказалась проблема первоначального возникновения галактик.

Большинство принятых в настоящее время космологических моделей предполагает общее расширение, начиная с нулевого момента времени, который называют "большим взрывом" или английским термином Big Bang (сразу же после которого Вселенная имеет исключительно высокие плотность и температуру). Физические процессы, описывающие первичный взрыв в этих моделях, могут быть довольно надежно прослежены до момента, когда плотность и температура становятся достаточно низкими, чтобы стало возможным образование галактик. Примерно 1 миллион лет потребовался для того, чтобы Вселенная расширилась и остыла настолько, что вещество стало играть в ней важную роль. До этого преобладало излучение, и сгустки вещества, такие как звезды или галактики, не могли образовываться. Однако, когда температура стала равной примерно 3000 К, а плотность - около 10-21 г/см3 вещество, наконец, смогло формироваться.

Большинство попыток найти способы конденсации вещества Вселенной в галактики основаны на гипотезе, впервые подробно разработанной сэром Джеймсом Джинсом. Хотя сейчас принимается, что в ранней Вселенной газ расширялся в соответствии с релятивистской космологической моделью, идеи Джинса основывались на более простой ньютоновской модели Вселенной, где гравитационная неустойчивость возникает, когда сгусток более плотного вещества (называемый возмущением) становится достаточно малым и плотным. Характерный размер возмущений плотности, которые являются только слегка неустойчивыми, называется джинсовской длиной и, как было установлено, она зависит от скорости звука в среде, постоянной тяготения и плотности вещества.

Джинсовская масса определяется как масса вещества, которая может стать неустойчивой и начать сжиматься под действием собственного гравитационного поля (рис. 4). Согласно расчетам, в начале "эры вещества" джинсовская масса составляет около 105 солнечных масс, и, таким образом, в этот момент истории Вселенной возмущения с такими массами и больше (что включает все известные галактики) должны были стать неустойчивыми и сжаться. Простая модель Джинса не позволяет исследовать ситуацию во время "эры излучения", так как в этом простом анализе не учитывается влияние давления излучения на газ.

Рис. 4. Джинсовская масса

В поисках типа иррегулярности или неустойчивости, которая приводит к современной Вселенной, состоящей из галактик, астрономы исследовали много других видов неустойчивости, кроме гравитационных. Среди них - возможное отсутствие баланса вещества и антивещества, тепловые неустойчивости, флуктуации, связанные с ионизацией и ее зависимостью от температуры и вариации распределения заряда.

Наиболее вероятная гипотеза утверждает, что вначале количество вещества немного превосходило количество антивещества. Тогда большая часть вещества должна была проаннигилировать с антивеществом на ранних космических фазах при высокой плотности, оставив купающуюся в лучах света Вселенную с количеством вещества, как раз достаточным для образования галактик.

Другой механизм, который мог способствовать конденсации вещества - это тепловая неустойчивость. Области с немного повышенной плотностью остывают быстрее, чем их окружение. Более горячие окружающие регионы сильнее сжимают эти области, повышая их плотность. Таким образом, небольшое возмущение плотности может становиться все более неустойчивым (рис.5).

             Рис. 5. Флуктуации температуры

Согласно еще одной гипотезе, предложенной Георгием Гамовым, гравитационные силы могут усиливаться "симулированной гравитацией", создаваемой в ранней истории Вселенной интенсивным полем излучения. Частицы в такой Вселенной, как правило, испытывают действие силы, направленной от каждой частицы к другой частице. Эта сила, с которой частицы подвергаются действию друг друга подобно силе тяготения. Эффект взаимного притяжения двух частиц имеет значение лишь на протяжении примерно первых 100 лет существования Вселенной, после чего интенсивность излучения и степень близости частиц уменьшается.

После достижения индивидуальными протогалактиками гравитационной выделенности через какую-либо форму неустойчивости, они коллапсируют с образованием галактик значительно меньших размеров и с большими плотностями, оставляя промежуточное пространство почти пустым. Реальный процесс сжатия можно исследовать лишь при помощи теоретического моделирования. Для этого выбираются правдоподобные начальные условия и производят необходимые вычисления, чтобы посмотреть, можно ли прийти к реалистичной картине в результате сжатия исходной протогалактики. Начальные условия, с которых мы должны начинать эти вычисления, включают массу галактики, ее угловой момент, размеры, температуру, химические характеристики, магнитное поле и внутренние турбулентные движения.

Рассмотрим простейшее начальное состояние, в котором свойства протогалактики таковы, что она является холодной, полностью однородной по плотности, совершенно сферической и без турбулентных движений, магнитного поля и внешних воздействий. Для объекта, сравнимого по массе с Млечным Путем, порядка 1011> масс Солнца, такой набор начальных условий приводит к совершенно не остановимому коллапсу. Гравитационный потенциал такого объекта достаточно велик, чтобы никакой физический процесс не мог остановить его коллапс в массивную черную дыру, и вычисления показывают, что за короткое, по космическим масштабам, время такой объект перейдя через предел Шварцшильда исчезнет (рис. 6).

рис. 6. Судьба невращающейся протогалактики

Более разумный набор начальных условий следующий: в ходе одного из рассмотренных выше процессов газовое облако уже сжалось до такой степени, что оно стало устойчивым, несмотря на расширение окружающей Вселенной; пусть это будет плотность около 10-28 г/см. Если принять массу равной 1011 солнечных масс, то указанная плотность дает для сферического облака начальный радиус около 200 кпк. Для того чтобы сжатие было возможным, кинетическая, магнитная и гравитационная энергии должны быть соответствующим образом сбалансированы. Другие начальные условия, необходимые для начала сжатия, следующие: скорость вращения должна быть мала - менее 40 км/с, температура - меньше 2*105 К и напряженность магнитного поля должна быть разумно мала - меньше 2*10-7 гаусс.

Если распределение плотности облака остается однородным в ходе сжатия, то гравитационная энергия возрастает обратно пропорционально уменьшающемуся радиусу. В некоторый момент радиус становится достаточно малым, чтобы энергия вращения уравновесила гравитационную энергию - это определяет вращательный предел. При другом критическом размере из газа конденсируются звезды, и начинается быстрый переход от газового облака к галактике, состоящей из звезд. Это конденсационный предел. Окончательная судьба сжимающегося облака зависит от соотношения этих трех критических радиусов. В зависимости от того, какой из них наибольший, появляются три интересные возможности.

Если наибольший радиус соответствует вращательному пределу, то сжатие останавливается вращением (рис. 7). Однако центробежные силы ограничены плоскостью вращения, так что сжатие в направлении, перпендикулярном этой плоскости, продолжается до образования тонкого диска. Этот диск выделяется формой и наличием вращения - это спиральная галактика.

рис.7. Быстрое вращение приводит к образованию плоской структуры

В случае если наибольшим является конденсационный, предел, звездообразование начинается до того, как эффекты вращения становятся важным фактором торможения сжатия. По мере роста плотности темп звездообразования увеличивается, и большая часть газа проходит через этот процесс. В этом диск не образуется.

Орбиты звезд будут таковы, что галактика станет почти сферической - в зависимости от величины и распределения начального углового момента. С этими свойствами - почти сферической формой, отсутствием газа и большим количеством звезд, образовавшихся вблизи начала его существования, объект явно будет эллиптической галактикой (рис.8).