Челябінський Державний Університет
Факультет державного та муніципального управління
Галактики
Реферат
По курсу: Концепція сучасного природознавства
Виконав: Кілундін Д.А.
Група: УД-206
Перевірив:
Клеменко Володимир Антонович
Челябінськ, 2008 р.
Зміст
Введення
Основні відомості про галактики
Що таке типу?
Народження галактик
Властивості галактик
Наша Галактика
Ядра галактик
Висновок
Література
Диск Галактики і її сферична підсистема містять приблизно однакову кількість зірок. Сонце належить галактичного диска і знаходиться від його центру на відстані двох третин радіуса диска. Радіуси диска і сферичної підсистеми близькі один одному і становлять приблизно 3 світлових роки.
У диску Галактики, крім зірок, є ще міжзоряний газ і космічний пил, маса яких становить кілька відсотків маси зірок; в сферичній підсистемі газу і пилу практично немає. Серед зірок диска є помітне кількість молодих яскравих зірок, тоді як в сферичній підсистемі такі зірки майже повністю відсутні. Диск Галактики обертається, причому кутова швидкість обертання різна на різних відстанях від його центру. В області, де знаходиться Сонце, лінійна швидкість обертання диска складає 220-250 км / с. Зірки диска звертаються навколо центру по майже кругових орбітах; відхилення від кругового руху характеризуються швидкостями, які не перевищують 20 км / с.
У зірок сферичної підсистеми, що знаходяться поблизу від Сонця, швидкість загального регулярного обертання навколо центру Галактики принаймні раз на п'ять менше, ніж у зірок диска. Зірки сферичної підсистеми рухаються по витягнутих орбітах, їх типові швидкості 200-300 км / с. Значна частина зірок диска Галактики входить до різного роду групи. Не менше половини всіх зірок входить у зоряні пари, великими утвореннями є розсіяні скупчення, містять до тисячі зірок, пов'язаних взаємним тяжінням. Наймолодші зірки диска разом з хмарами газу і пилу розташовується широкими смугами - спіральними рукавами, які яскравими широкими дугами виходять із центральної області Галактики. Розподіл зірок у сферичної підсистемі більш-менш сферично - симетрично. Приблизно тисячна їх частка входить у великі скупчення, що містять до мільйона зірок, які називають кульовими скупченнями.
Зірки обох підсистем Галактики згущуються до центральної області - її ядра, яке проявляє себе як джерело підвищеного радіовипромінювання, а також інфрачервоного, рентгенівського та гамма - випромінювання. З ядра відбувається, мабуть, також витікання газу.
Світність Галактики, ті є повна енергія, випромінювана всіма її зірками в одиницю часу, становить 3 * 10 37 Вт; Це приблизно в сто мільярдів разів більше світності Сонця (4 * 10 26 Вт).
Повна маса зірок Галактики оцінюється в 2 * 10 44 г, що становить сто мільярдів мас Сонця (2 * 10 33 м).
В останні роки з'ясовується, що Галактика має протяжної короною, що тягнеться на відстані, в десятки разів перевищують розміри диска і сферичної підсистеми. Повна маса корони в кілька разів перевищує сумарну масу всіх зірок Галактики, але з-за великих розмірів її щільність невелика в порівнянні з щільністю, створюваної зірками і газопилової хмари. Корона проявляє себе тяжінням, але не випромінює світла і в ній не виявляють ні зірок, ні хмар.
У Всесвіті є велика кількість інших зоряних систем, галактик, подібних нашій Галактиці. Галактики, що володіють дисковою підсистемою зі спіральним візерунком, називають спіральними.
Найближчою до нас гігантської спіральною галактикою є Туманність Андромеди. Її маса і світність рази в два більше, ніж у нашої Галактики. Інші спіральні галактики не так масивні; найчастіше їх маси складають мільярд чи десять мільярдів мас Сонця, а світності в 10-100 разів нижче світності Галактики.
Крім спіральних, існують еліптичні галактики, за своєю будовою і зоряного населенню подібні сферичної підсистемі нашої Галактики. У них практично немає газопилового речовини та молодих яскравих зірок. Найбільш великі еліптичні галактики мають масу і світність разів у десять більше, ніж у нашої Галактики. Є й карликові еліптичні галактики з масами і світностями у десятки тисяч разів меншими. Дуже часто еліптичні галактики, особливо, самі масивні, мають щільні ядра, які за своїми проявами зазвичай більше і активніше ядер спіральних галактик.
Ще один тип галактик - неправильні. Їх маси і світності в десятки разів менше, ніж у нашої Галактики. Зірковий склад подібний населенню дисків спіральних галактик. Але ці зірки, а також і значні маси газопилового речовини, не утворюють регулярної структури і не володіють вираженим загальним обертанням. Окрім яскравих молодих зірок, у неправильних галактиках є ще й зірки старі, менш яскраві, подібні зіркам сферичної підсистеми Галактики, також утворюють загальний сферичний остов. Ці три типи галактик були вперше виявлені і вивчені Е. Хабблом та іншими астрономами у двадцяті-тридцяті роки нашого століття. З тих пір стали відомі й галактики інших типів, не завжди укладаються в первісну класифікацію. Це стосується в першу чергу до галактик з активними ядрами і значним радіовипромінюванням. Екстремальними об'єктами такого рада є квазари (квазізоряних радіоджерело). У них зоряна складова не виявляється; вона або взагалі відсутня, або, що більш імовірно, є, але непомітна на тлі величезної світності ядра, яка доходить до жовтня 1939 - 10 40 Вт, що в десятки тисяч разів більше світності Галактики. Ця енергія виходить з областей з розміром 10 16 - 10 18 см, що в десятки і сотні тисяч разів менше розміру Галактики. Радіовипромінювання квазарів порівнянна за інтенсивністю з їх оптичним випромінюванням, а інфрачервоне випромінювання часто і ще більше. Є розповсюджений різновид квазарів з низьким радіовипромінюванням; такі об'єкти називають квазагамі, тобто квазігалактікамі.
Внаслідок виключно великої світності квазари видно на дуже великих відстанях. Найбільш віддалені об'єкти, доступні спостереженню на сучасних астрономічних інструментах, це саме квазари. Вони як би окреслюють межі метагалактики - спостерігається області всесвіту. Відстань до самих далеких квазарів оцінюється тисячами мегапарсек (1 мегапарсек (Мпк) = 1000000 пк). Світло від них йде до нас мільярди років.
Велика частина галактик входить в ті чи інші групи чи скупчення, що налічують від десятків до тисяч членів. Є скупчення галактик щодо правильної сферичної або еліпсоїдального форми. Таке, наприклад, одне з найбільших скупчень, скупчення в сузір'я Волосся Вероніки, що має радіус близько 4 Мпк і містять приблизно десять тисяч галактик, серед яких переважають еліптичні галактики.
Як виявлено в останні роки, багато багаті скупчення галактик містять значну кількість гарячого газу виявляє себе рентгенівським випромінюванням.
Температура газу сягає ста мільйонів Кельвіна, і він знаходиться в стані плазми, тобто у стані іонізації, при якому електрони відірвані від ядер.
Маса гарячого газу в скупченнях порівнянна із сумарною масою галактик. Судячи з динаміки галактик у скупченнях, ці системи містять ще більше кількості іншої речовини, що виявляє себе тільки створюваним їм тяжінням. Скупчення та групи галактик розподілені в просторі не цілком випадковим чином. Місцева група галактик, до якої входить наша Галактика, галактика Андромеди і ще три десятки менш великих об'єктів, утворює разом з двома-трьома іншими близькими групами галактик систему, звану Надскупчення. Це сплощене освіта, розміром до 50 Мпк, його площина перпендикулярна до площини диска нашої Галактики; центр місцевого Надскупчення лежить у напрямку сузір'я Діви в круглому скупченні галактик, віддаленому від нас на 20 Мпк.
На великомасштабної карті неба, на якій галактики виглядають просто точками, скупчення галактик часто представляються зібраними в протяжні ланцюжка, - ймовірно, сверхскопленія. Ланцюжки з'єднуються і перетинаються, складаючись у сітчасту або пористу структуру.
Ієрархія космічних структур обривається на скупченнях і сверхскопленія. Більш великих утворень в Метагалактиці немає.
Підраховуючи число галактик у великих обсягах, з розмірами 300 Мпк і більше, що містять багато скупчень і сверхскоплений, знаходять їх середню концентрацію, у просторі, а знаючи маси галактик, можна оцінити і середню щільність речовини в таких обсягах. Ця щільність виявляється однаковою, де б на небі ні вибрати такий обсяг; за сучасними даними вона становить 3 * 10 -31 г / см 3 або, у перерахунку на атоми водню, приблизно один атом на тридцять кубічних метрів об'єму.
Правда, астрономічні оцінки мас не дуже надійні. Завдання ускладнюється тим, що крім світиться речовини самих галактик, в просторі навколо них існують, мабуть, значні маси речовини, спостерігати які безпосередньо не вдається, - може бути, зірки низької світності або газ, або навіть чорні діри. Приховані маси виявляють себе, тільки тяжінням, яке складається на русі галактик в групах і скупченнях. За цими ознаками оцінюють пов'язану з ними середню щільність, яка, як вважають в Тартутской обсерваторії, може бути в 2-3 рази або навіть у 5-10 разів більше усередненої густини галактик.
Та обставина, що кількість галактик і щільність речовини виявляються однаковими в досить великих обсягах, де б ці області не знаходилися, означає, що Всесвіт, розглянута у великому масштабі, є в середньому однорідною. Це одне з фундаментальних властивостей навколишнього світу.
Поступово астронавти з'ясували, що ці системи сильно відрізняються за формою і розмірами один від одного, і Хаббл склав знамениту "Камертон діаграму" - першу класифікацію галактик, яка і по сьогоднішній день широко використовується у спостережній астрономії.
Усі галактики Хаббл розбив на три основні види: еліптичні, спіральні й неправильні. Складаючи діаграму, він вважав, що в ній відбито якийсь механізм еволюційних переходів від одного виду до іншого. Це припущення згодом було відкинуто. Що ж стосується очевидних відмінностей в будові колосальних зоряних систем, то вони пов'язані, по всій видимості, з умовами утворення галактик.
Більшість галактик володіє "стадним" характером: вони утворюють скупчення, великі і малі. Малі налічують десятки членів, великі - тисячі. Велике скупчення у Волоссі Вероніки містить приблизно десять тисяч галактик, головним чином еліптичних.
Розмір цього величезного скупчення близько чотирьох мегапарсек.
Скупчення галактик, у свою чергу, входять до складу ще більших структурних утворень, які називають надскупченнями. Ці найбільші структурні осередки Всесвіті мають розміри до сотні мегапарсек і маси, що перевищують 10 15 мас Сонця.
Саме галактики є ключовими елементами в структурі спостерігається всесвіту, а проблема утворення галактик і структурування світу - одне з основних питань в сучасній космології.
Що це означає? Астрономія стала всехвильовий. Спостереження проводяться зараз в широкому діапазоні електромагнітних коливань - від радіовипромінювання до гамма - променів. Природно, чим далі від нас знаходиться об'єкт, тим у більш ранню епоху бачить його астроном-спостерігач. Світло від далеких галактик йде до Землі мільярди років, і ми бачимо це галактики такими, якими вони були мільярди років тому.
Реліктовий фон дає відомості про епоху відділення випромінювання від речовини, так як саме в цей час електромагнітні коливання отримали можливість вільно поширюватися. Спроби спостереження більше ранньому Всесвіті нагадували б спроби розглянути що-небудь в щільному тумані. Тут мова йде, зрозуміло, про спостереження за допомогою електромагнітних хвиль.
Що ж говорить нам реліктовий фон про поле відділення випромінювання від речовини? Основний результат спостереження полягає в тому, що фонове випромінювання однорідний. У якій би ділянці неба ми не проводили вимірювання властивостей реліктового випромінювання, результат буде один і той же. Але це означає, що і речовина в епоху відділення було також дуже однорідним. А тоді ми знову стикаємося з протиріччям між початковою однорідністю Всесвіту і грандіозним різноманітністю її структури.
Тут доречно згадати пророчий ідеї Ньютона, висловленої близько 300 років тому в листі до ректора коледжу в Кембриджі Р. Бантлі. Ньютон писав: "Але якби речовина була рівномірно розсіяно по нескінченному простору, воно ніколи не зібралося б у єдину масу. Частина його могла б зібратися в одну масу, а частина - в інший, так що утворилося б нескінченне число великих мас, розкиданих по безкінечного простору на величезних відстанях один від одного ".
Саме ця думка геніального Ньютона є одним з наріжних каменів сучасних теорій освіти великомасштабних структур всесвіту.
Друга важлива обставина, яку ми повинні прийняти до уваги: так звані малі обурення, флуктуації - невеликі відхилення від однорідності і изотропии.
Постараємося зрозуміти фізичний зміст зростання початкових флуктуацій щільності, але походження флуктуацій, з яких врешті-решт виникає галактика, залишається загадкою. Спробуємо детальніше розглянути, які процеси можуть відбуватися в спочатку повністю однорідною і ізотропному середовищі. Взагалі кажучи, таке середовище не може бути стійкою, оскільки в ній діють різні сили.
У такому середовищі діє лише одна сила - тяжіння. Адже в цьому середовищі немає ні перепадів тиску, ні потоків, ні яких-небудь інших неоднорідних речовин. І тим не менше цієї сили виявляється цілком достатньо, щоб порушити однорідність вихідної середовища та створити у ній неоднорідності. Саме ця сила і створює первинні "шматки" речовини в подрібненої однорідної Всесвіту.
Як це відбувається? Уявімо собі для наочності, що в якомусь районі середовища трохи підвищилася її щільність, або, іншими словами, виникла флуктуація щільності. Відповідно до закону всесвітнього тяжіння частки середи почнуть притягатися до ділянки з більшою щільністю і тим самим будуть ще більше збільшити щільність цієї ділянки.
Але ми поки не враховували силу, яка неминуче виникає при збільшенні щільності і почне протидіяти силі гравітації. Ця сила - перепад тиску. У даному випадку, саме зростання тиску припиняє врешті-решт процес стиснення.
Факультет державного та муніципального управління
Галактики
Реферат
По курсу: Концепція сучасного природознавства
Виконав: Кілундін Д.А.
Група: УД-206
Перевірив:
Клеменко Володимир Антонович
Челябінськ, 2008 р.
Зміст
Введення
Основні відомості про галактики
Що таке типу?
Народження галактик
Властивості галактик
Наша Галактика
Ядра галактик
Висновок
Література
Введення
Я вибрав тему "Світ галактик, тому що вона, на мій погляд, є однією з найбільш актуальних і цікавих тем у світі астрономії. Вже протягом кількох століть, астрономи вивчають світ галактик, але і до цього дня, він зберігає в собі багато загадок і таємниць. Ось саме ця загадковість галактик і наштовхнула мене на вибір цієї теми. І саме той факт, що світ галактик для нас, як і для більшості людей, залишається непізнаним і таємничим, але в той же час надзвичайно цікавим, підштовхнув нас звернути увагу саме на обрану проблему.Основні відомості про галактики
Сонце - одна із ста мільярдів зірок, що утворюють гігантську зоряну систему, Галактику, яка представляється нам на небі широкою смугою Чумацького Шляху. У Галактиці розрізняють плоску підсистему, що має вигляд диска з потовщенням посередині, і сферичну підсистему, в яку цей диск занурений.Диск Галактики і її сферична підсистема містять приблизно однакову кількість зірок. Сонце належить галактичного диска і знаходиться від його центру на відстані двох третин радіуса диска. Радіуси диска і сферичної підсистеми близькі один одному і становлять приблизно 3 світлових роки.
У диску Галактики, крім зірок, є ще міжзоряний газ і космічний пил, маса яких становить кілька відсотків маси зірок; в сферичній підсистемі газу і пилу практично немає. Серед зірок диска є помітне кількість молодих яскравих зірок, тоді як в сферичній підсистемі такі зірки майже повністю відсутні. Диск Галактики обертається, причому кутова швидкість обертання різна на різних відстанях від його центру. В області, де знаходиться Сонце, лінійна швидкість обертання диска складає 220-250 км / с. Зірки диска звертаються навколо центру по майже кругових орбітах; відхилення від кругового руху характеризуються швидкостями, які не перевищують 20 км / с.
У зірок сферичної підсистеми, що знаходяться поблизу від Сонця, швидкість загального регулярного обертання навколо центру Галактики принаймні раз на п'ять менше, ніж у зірок диска. Зірки сферичної підсистеми рухаються по витягнутих орбітах, їх типові швидкості 200-300 км / с. Значна частина зірок диска Галактики входить до різного роду групи. Не менше половини всіх зірок входить у зоряні пари, великими утвореннями є розсіяні скупчення, містять до тисячі зірок, пов'язаних взаємним тяжінням. Наймолодші зірки диска разом з хмарами газу і пилу розташовується широкими смугами - спіральними рукавами, які яскравими широкими дугами виходять із центральної області Галактики. Розподіл зірок у сферичної підсистемі більш-менш сферично - симетрично. Приблизно тисячна їх частка входить у великі скупчення, що містять до мільйона зірок, які називають кульовими скупченнями.
Зірки обох підсистем Галактики згущуються до центральної області - її ядра, яке проявляє себе як джерело підвищеного радіовипромінювання, а також інфрачервоного, рентгенівського та гамма - випромінювання. З ядра відбувається, мабуть, також витікання газу.
Світність Галактики, ті є повна енергія, випромінювана всіма її зірками в одиницю часу, становить 3 * 10 37 Вт; Це приблизно в сто мільярдів разів більше світності Сонця (4 * 10 26 Вт).
Повна маса зірок Галактики оцінюється в 2 * 10 44 г, що становить сто мільярдів мас Сонця (2 * 10 33 м).
В останні роки з'ясовується, що Галактика має протяжної короною, що тягнеться на відстані, в десятки разів перевищують розміри диска і сферичної підсистеми. Повна маса корони в кілька разів перевищує сумарну масу всіх зірок Галактики, але з-за великих розмірів її щільність невелика в порівнянні з щільністю, створюваної зірками і газопилової хмари. Корона проявляє себе тяжінням, але не випромінює світла і в ній не виявляють ні зірок, ні хмар.
У Всесвіті є велика кількість інших зоряних систем, галактик, подібних нашій Галактиці. Галактики, що володіють дисковою підсистемою зі спіральним візерунком, називають спіральними.
Найближчою до нас гігантської спіральною галактикою є Туманність Андромеди. Її маса і світність рази в два більше, ніж у нашої Галактики. Інші спіральні галактики не так масивні; найчастіше їх маси складають мільярд чи десять мільярдів мас Сонця, а світності в 10-100 разів нижче світності Галактики.
Крім спіральних, існують еліптичні галактики, за своєю будовою і зоряного населенню подібні сферичної підсистемі нашої Галактики. У них практично немає газопилового речовини та молодих яскравих зірок. Найбільш великі еліптичні галактики мають масу і світність разів у десять більше, ніж у нашої Галактики. Є й карликові еліптичні галактики з масами і світностями у десятки тисяч разів меншими. Дуже часто еліптичні галактики, особливо, самі масивні, мають щільні ядра, які за своїми проявами зазвичай більше і активніше ядер спіральних галактик.
Ще один тип галактик - неправильні. Їх маси і світності в десятки разів менше, ніж у нашої Галактики. Зірковий склад подібний населенню дисків спіральних галактик. Але ці зірки, а також і значні маси газопилового речовини, не утворюють регулярної структури і не володіють вираженим загальним обертанням. Окрім яскравих молодих зірок, у неправильних галактиках є ще й зірки старі, менш яскраві, подібні зіркам сферичної підсистеми Галактики, також утворюють загальний сферичний остов. Ці три типи галактик були вперше виявлені і вивчені Е. Хабблом та іншими астрономами у двадцяті-тридцяті роки нашого століття. З тих пір стали відомі й галактики інших типів, не завжди укладаються в первісну класифікацію. Це стосується в першу чергу до галактик з активними ядрами і значним радіовипромінюванням. Екстремальними об'єктами такого рада є квазари (квазізоряних радіоджерело). У них зоряна складова не виявляється; вона або взагалі відсутня, або, що більш імовірно, є, але непомітна на тлі величезної світності ядра, яка доходить до жовтня 1939 - 10 40 Вт, що в десятки тисяч разів більше світності Галактики. Ця енергія виходить з областей з розміром 10 16 - 10 18 см, що в десятки і сотні тисяч разів менше розміру Галактики. Радіовипромінювання квазарів порівнянна за інтенсивністю з їх оптичним випромінюванням, а інфрачервоне випромінювання часто і ще більше. Є розповсюджений різновид квазарів з низьким радіовипромінюванням; такі об'єкти називають квазагамі, тобто квазігалактікамі.
Внаслідок виключно великої світності квазари видно на дуже великих відстанях. Найбільш віддалені об'єкти, доступні спостереженню на сучасних астрономічних інструментах, це саме квазари. Вони як би окреслюють межі метагалактики - спостерігається області всесвіту. Відстань до самих далеких квазарів оцінюється тисячами мегапарсек (1 мегапарсек (Мпк) = 1000000 пк). Світло від них йде до нас мільярди років.
Велика частина галактик входить в ті чи інші групи чи скупчення, що налічують від десятків до тисяч членів. Є скупчення галактик щодо правильної сферичної або еліпсоїдального форми. Таке, наприклад, одне з найбільших скупчень, скупчення в сузір'я Волосся Вероніки, що має радіус близько 4 Мпк і містять приблизно десять тисяч галактик, серед яких переважають еліптичні галактики.
Як виявлено в останні роки, багато багаті скупчення галактик містять значну кількість гарячого газу виявляє себе рентгенівським випромінюванням.
Температура газу сягає ста мільйонів Кельвіна, і він знаходиться в стані плазми, тобто у стані іонізації, при якому електрони відірвані від ядер.
Маса гарячого газу в скупченнях порівнянна із сумарною масою галактик. Судячи з динаміки галактик у скупченнях, ці системи містять ще більше кількості іншої речовини, що виявляє себе тільки створюваним їм тяжінням. Скупчення та групи галактик розподілені в просторі не цілком випадковим чином. Місцева група галактик, до якої входить наша Галактика, галактика Андромеди і ще три десятки менш великих об'єктів, утворює разом з двома-трьома іншими близькими групами галактик систему, звану Надскупчення. Це сплощене освіта, розміром до 50 Мпк, його площина перпендикулярна до площини диска нашої Галактики; центр місцевого Надскупчення лежить у напрямку сузір'я Діви в круглому скупченні галактик, віддаленому від нас на 20 Мпк.
На великомасштабної карті неба, на якій галактики виглядають просто точками, скупчення галактик часто представляються зібраними в протяжні ланцюжка, - ймовірно, сверхскопленія. Ланцюжки з'єднуються і перетинаються, складаючись у сітчасту або пористу структуру.
Ієрархія космічних структур обривається на скупченнях і сверхскопленія. Більш великих утворень в Метагалактиці немає.
Підраховуючи число галактик у великих обсягах, з розмірами 300 Мпк і більше, що містять багато скупчень і сверхскоплений, знаходять їх середню концентрацію, у просторі, а знаючи маси галактик, можна оцінити і середню щільність речовини в таких обсягах. Ця щільність виявляється однаковою, де б на небі ні вибрати такий обсяг; за сучасними даними вона становить 3 * 10 -31 г / см 3 або, у перерахунку на атоми водню, приблизно один атом на тридцять кубічних метрів об'єму.
Правда, астрономічні оцінки мас не дуже надійні. Завдання ускладнюється тим, що крім світиться речовини самих галактик, в просторі навколо них існують, мабуть, значні маси речовини, спостерігати які безпосередньо не вдається, - може бути, зірки низької світності або газ, або навіть чорні діри. Приховані маси виявляють себе, тільки тяжінням, яке складається на русі галактик в групах і скупченнях. За цими ознаками оцінюють пов'язану з ними середню щільність, яка, як вважають в Тартутской обсерваторії, може бути в 2-3 рази або навіть у 5-10 разів більше усередненої густини галактик.
Та обставина, що кількість галактик і щільність речовини виявляються однаковими в досить великих обсягах, де б ці області не знаходилися, означає, що Всесвіт, розглянута у великому масштабі, є в середньому однорідною. Це одне з фундаментальних властивостей навколишнього світу.
Що таке типу?
Далекі туманні об'єкти - туманності були помічені астрономами ще в XVII столітті. Про знамениту туманності Андромеди вперше згадав сучасник Галілея С. Маріус в 1612 році. Французький астроном Ш. Месьє, відомий своїми відкриттями комет, щоб спостерігачі не плутали комети з туманностями, склав перший список туманностей, що містить близько ста об'єктів. Але лише в 20-х роках нашого століття вдалося встановити, що таке туманності - це гігантські зоряні системи, що знаходяться далеко за межами нашої Галактики - Чумацького шляху.Поступово астронавти з'ясували, що ці системи сильно відрізняються за формою і розмірами один від одного, і Хаббл склав знамениту "Камертон діаграму" - першу класифікацію галактик, яка і по сьогоднішній день широко використовується у спостережній астрономії.
Усі галактики Хаббл розбив на три основні види: еліптичні, спіральні й неправильні. Складаючи діаграму, він вважав, що в ній відбито якийсь механізм еволюційних переходів від одного виду до іншого. Це припущення згодом було відкинуто. Що ж стосується очевидних відмінностей в будові колосальних зоряних систем, то вони пов'язані, по всій видимості, з умовами утворення галактик.
Більшість галактик володіє "стадним" характером: вони утворюють скупчення, великі і малі. Малі налічують десятки членів, великі - тисячі. Велике скупчення у Волоссі Вероніки містить приблизно десять тисяч галактик, головним чином еліптичних.
Розмір цього величезного скупчення близько чотирьох мегапарсек.
Скупчення галактик, у свою чергу, входять до складу ще більших структурних утворень, які називають надскупченнями. Ці найбільші структурні осередки Всесвіті мають розміри до сотні мегапарсек і маси, що перевищують 10 15 мас Сонця.
Саме галактики є ключовими елементами в структурі спостерігається всесвіту, а проблема утворення галактик і структурування світу - одне з основних питань в сучасній космології.
Народження галактик
Повернемося до того моменту, коли температура Всесвіту впала до 4000 К. Після Великого Вибуху пройшло близько мільйона років. У цей час у нашому остигає світі відбулися істотні зміни. Для нас зараз особливо важливо та обставина, що всесвіт став прозора для випромінювання. Сталося це з тієї причини, що електрони об'єдналися в атоми з протонами і перестали брати участь в розсіянні фотонів. Випромінювання відокремилося від речовини, і тому Всесвіт стала для нас спостерігається.Що це означає? Астрономія стала всехвильовий. Спостереження проводяться зараз в широкому діапазоні електромагнітних коливань - від радіовипромінювання до гамма - променів. Природно, чим далі від нас знаходиться об'єкт, тим у більш ранню епоху бачить його астроном-спостерігач. Світло від далеких галактик йде до Землі мільярди років, і ми бачимо це галактики такими, якими вони були мільярди років тому.
Реліктовий фон дає відомості про епоху відділення випромінювання від речовини, так як саме в цей час електромагнітні коливання отримали можливість вільно поширюватися. Спроби спостереження більше ранньому Всесвіті нагадували б спроби розглянути що-небудь в щільному тумані. Тут мова йде, зрозуміло, про спостереження за допомогою електромагнітних хвиль.
Що ж говорить нам реліктовий фон про поле відділення випромінювання від речовини? Основний результат спостереження полягає в тому, що фонове випромінювання однорідний. У якій би ділянці неба ми не проводили вимірювання властивостей реліктового випромінювання, результат буде один і той же. Але це означає, що і речовина в епоху відділення було також дуже однорідним. А тоді ми знову стикаємося з протиріччям між початковою однорідністю Всесвіту і грандіозним різноманітністю її структури.
Тут доречно згадати пророчий ідеї Ньютона, висловленої близько 300 років тому в листі до ректора коледжу в Кембриджі Р. Бантлі. Ньютон писав: "Але якби речовина була рівномірно розсіяно по нескінченному простору, воно ніколи не зібралося б у єдину масу. Частина його могла б зібратися в одну масу, а частина - в інший, так що утворилося б нескінченне число великих мас, розкиданих по безкінечного простору на величезних відстанях один від одного ".
Саме ця думка геніального Ньютона є одним з наріжних каменів сучасних теорій освіти великомасштабних структур всесвіту.
Друга важлива обставина, яку ми повинні прийняти до уваги: так звані малі обурення, флуктуації - невеликі відхилення від однорідності і изотропии.
Постараємося зрозуміти фізичний зміст зростання початкових флуктуацій щільності, але походження флуктуацій, з яких врешті-решт виникає галактика, залишається загадкою. Спробуємо детальніше розглянути, які процеси можуть відбуватися в спочатку повністю однорідною і ізотропному середовищі. Взагалі кажучи, таке середовище не може бути стійкою, оскільки в ній діють різні сили.
У такому середовищі діє лише одна сила - тяжіння. Адже в цьому середовищі немає ні перепадів тиску, ні потоків, ні яких-небудь інших неоднорідних речовин. І тим не менше цієї сили виявляється цілком достатньо, щоб порушити однорідність вихідної середовища та створити у ній неоднорідності. Саме ця сила і створює первинні "шматки" речовини в подрібненої однорідної Всесвіту.
Як це відбувається? Уявімо собі для наочності, що в якомусь районі середовища трохи підвищилася її щільність, або, іншими словами, виникла флуктуація щільності. Відповідно до закону всесвітнього тяжіння частки середи почнуть притягатися до ділянки з більшою щільністю і тим самим будуть ще більше збільшити щільність цієї ділянки.
Але ми поки не враховували силу, яка неминуче виникає при збільшенні щільності і почне протидіяти силі гравітації. Ця сила - перепад тиску. У даному випадку, саме зростання тиску припиняє врешті-решт процес стиснення.
Зрозуміло, схема, яку ми тут намалювали, надто спрощено, носить занадто якісний характер і може викликати здивування. Адже стосовно розширення Всесвіту необхідно враховувати характер розширення. Крім того, добре було б знати і розміри, і масу первинних згущень.
Аналіз процесів гравітаційної нестійкості в однорідному спочиває середовищі привів до поняття "дешенсовой маси" і "дешенсова розміру" (на честь Д. Дешенса - знаменитого англійського астронома, що займався питанням гравітаційної нестійкості). Дешенсовая довжина - це критичний розмір ділянки нашого середовища, при якому сила тяжіння порівнянна з перепадом тиску в об'ємі цієї ділянки.
Дешенсова маса - це маса ділянки, що володіє критичним розміром.
Що дає нам поняття критичної довжини та маси? Флуктуація - це таке утворення, яке зобов'язане або жити і розвиватися, або врешті-решт зникнути. Статичної вона бути не може. Доля флуктуації повністю визначається результатом конкурентної боротьби гравітації і перепаду тиску, а критична маса і розмір - кількісний критерій цього результату. Природно, що Дешенсовая довжина прямо пропорційна щільності середовища.
Якщо розміри згущення менше критичної довжини Дешенса, то сила тиску переважає над гравітаційної, і згущення починає розширюватися. Якщо ж розміри перевищують критичну довжину Дешенса, то щільність згущень буде рости.
Якісна картина виникнення і зростання згущень справедлива лише для нескінченної, однорідного середовища. Над цим працював академік Є. Ліфшиць. Теорія, розвинена Є. Ліфшицем, дозволяє акуратно і точно розраховувати часову еволюцію згущень і їх початкову величину. Ми вже говорили про процеси конденсації вологи в атмосфері. У них велика роль флуктуації щільності. Ці флуктуації виникають із-за випадкового підвищення щільності повітря в силу хаотичного тиску молекул газового середовища. Чи не становить особливої складності оцінити величину чисто теплової флуктуації щільності, у системі N частинок. Це може бути атмосфера, Район Всесвіту, що містить число часток, відповідний числу частинок в нашій Галактиці (близько 10 68). Оскільки для будь-якої термодинамічної системи відносне значення флуктуації щільності одно 1/SQR (N), то для N = жовтень 1968 відносна величина теплового обурення щільності дорівнює 10 -34. Відносна величина обурення щільності визначається як (Pф - Рс) / Рс, де Pф - щільність в районі обурення, а Pc - середня щільність середовища. Але теорія Ліфшиця вимагає, щоб у момент часу рівний одній секунді після Великого вибуху, у Всесвіті існували початкові збурення, відносна величина яких ніяк не менше 10 -17. Здавалося б, дуже маленька величина, але вона на 17 порядків перевищує значення суто теплових флуктуацій. Саме питання про те, які процеси в ранньому Всесвіті могли призвести до появи флуктуацій необхідної величини, мучать теоретиків вже багато років.
Число невирішених проблем у цій галузі як туман закривають від нас таємниче походження галактик.
А питання це принципове. Адже спостережні дані свідчать про те, що в неозорих просторах Всесвіту галактики утворюють величезні космічні стільники - надшвидкісні, навколишні гігантські "чорні області" - порожнини.
Розрахунки показують, що стиснення речовини буде анізотропним. Обсяг може мінятися від форми куба до пластини. Таку пластину назвали "млинцем". Спочатку ізольовані один від одного плоскі "млинці" дуже скоро виростають в плоскі шари. Ці шари переміщуються, і в процесі їх взаємодії утворюється ячеисто - сітчаста структура, де стінками порожнеч служать млинці. Окремі млинці представляють собою надскупчення галактик, що має уплощенную форму. Існують і інші підходи до проблеми структурування.
Теорія млинців оперує лише з сверхструктурой Всесвіту, не відповідаючи на питання про походження дрібніших утворень - галактик. Для вирішення цього питання повернемося до маси Дешенса.
Ретельний аналіз еволюції збурень густини різних типів в нашому Всесвіті показує, що до часу рекомбінації залишається два виділених масштабу мас: 6 жовтня і10 12 сонячних мас. Маси кульових скупчень становлять близько мільйона сонячних мас, а маси найбільш масивних галактик і невеликих скупчень наближаються до величини 10 грудень мас Сонця.
Безумовно, цей факт заслуговує на увагу. З'явилася чергова гіпотеза, відповідно до якої з первинних збурень з масою 10 5 - 10 червня мас Сонця виникло "все" - і кульові скупчення, і галактики, і скупчення галактик. У цій теорії суттєво обставина, що маса вихідного згустку, порівнянна з масою Дешенса. Тому, сили тиску також можна порівняти з силами гравітації.
Одним з досить складних і цікавих питань є проблема дуже широкого діапазону мас галактик. Для пояснення цієї проблеми можна припустити, що певну роль в утворенні галактик грала не тільки газова орлагментація, але і злиття первинних галактик.
У процесі злиття двох галактик спочатку утворюється обсяг зовсім неправильної форми. Але потім ці неправильності згладжуються, і в результаті утворюється масивна галактика еліптичної форми. Процес цей займає кілька сотень мільйонів років.
У скупченнях галактик присутній такий надгігантських компонент - галактика-монстр. Їх радіус досягає мільйона світлових років, а світність в 100 разів може перевищувати світність нашої Галактики. Такі галактики спочатку лише ненабагато перевищують інші, але у міру руху по спіральної траєкторії до центру скупчення ця галактика заковтує дрібніші системи. Звичайно, подібні процеси спостерігаються не в кожному скупченні галактик. Іноді взаємодія галактик може мати характер лобового зіткнення. При такому зіткненні центральні області однією з галактик можуть бути викинуті назовні. У результаті утворюється кільцева структура, що є нестійку, короткоживучі систему.
Не тільки динаміка взаємодії галактик змушує згадати загальне космологічне розширення. Існує ще одна важлива обставина, пов'язана з будовою галактик, яке може вплинути на характер розширення Всесвіту.
У спіральних галактиках зірки, що знаходяться в диску, звертаються навколо загального центру мас. Рух зірок, газу і пилу, як і рух планет у Сонячній системі визначається законом всесвітнього тяжіння. На стабільній орбіті сила тяжіння дорівнює відцентрової силі:
G * Mr * m m * V 2 * r ^ 2
------------------ - = - ------------------ -,
R 2 r
де Mr - маса укладена в межах від 0 до r.
Vr - орбітальна швидкість маси m. Якщо маса зосереджена в центрі, то зміна швидкості відбувається за законом Кеплера. Зазвичай в галактиках максимум яскравості доводиться на центр, а до периферії яскравість швидко падає. Астрономи припускали, що орбітальна швидкість зірок повинна змінюватися за законом Кеплера, тобто зменшуватися зі збільшенням відстані від центру Галактики. Останнім часом виконані ретельні спостереження обертових дисків спіральних галактик. Ці спостереження принесли сенсаційні результати. Виявилося, що у віддалених від центру галактик районах швидкість обертання не зменшується у міру збільшення радіусу. Більше того, у ряді випадків вона збільшується.
У галактиках є невидима маса, коригувальна швидкість орбітальних рухів. Невидима маса цілком може зупинити розширення Всесвіту. Після спостережень, виявилося, що наявність невидимої маси - повсюдне явище.
Масу проблем ставить перед астрономами і центр Галактики. Положення ускладнюється тим, що центральна область Чумацького Шляху прихована від нас другим важливим компонентом міжзоряного середовища - пилом.
Центри галактик виявляють різні форми активності, і наша Галактика не є винятком. Центральні області Галактики можна підрозділити на три характерні зони. У зоні, що має радіус близько 4 кілопарсек, найбільш цікаво різке падіння щільності газу. Утворюється свого роду "дірка" у газовому диску Галактики. На відстані від центру 600-700 парсек проходить "межа" дуже цікавого району, який прийнято називати зоряним балджем (від англ. Bulge - опуклість). Ця область і по "формі" і по "змістом" нагадує невелику еліптичну галактику, вкраплену в центр Чумацького Шляху. Так само як еліптична галактика, балдж містить в основному старі зірки, вік яких більше середнього віку зоряного населення диска.
Найбільш загадкова область Галактики - центральний парсек. За космічними масштабами ця область невелика, але тут спостерігаються аномалії, які мають поки задовільного пояснення. Наприклад, там знаходиться "міні-спіраль" - незвичайний джерело радіовипромінювання діаметром всього в 12 світлових років, а так само іншого швидкозмінних компактний радіоджерело з періодом порядку декілька хвилин. Це джерело розташований точно на осі обертання. У тому ж напрямку знаходиться абсолютно незвичайний об'єкт, унікальне джерело, що випромінює вузьку лінію, відповідну асиміляції електронів і позитронів! Там же розташований точковий рентгенівське джерело змінної інтенсивності. Пояснити наявність всіх цих джерел в порівняно маленької області простору можна за допомогою чорних дір.
За моделлю Н. Кардашева, в центрі Галактики повинна знаходитися пара чорних дір. Наявність такої пари дає можливість пояснити природу і параметри компактного радіоджерела і загадковою асиміляційну лінії. Це пояснюється наявністю хмари атомарного водню. Такі хмари були викинуті з області центрального парсека завдяки ефекту пращі. Залишки після вибуху наднової у масивній подвійній системі (центральний парсек) так само можуть служити джерелом позитронів, асиміляція яких і дає спостережувану лінію.
Перейдемо тепер до проблем, пов'язаних з обертанням Галактики. Наша Галактика обертається досить складним чином. Значна частина матерії Галактики обертається диференційно. Пояснимо, що це таке. Гарним прикладом диференціального обертання служить обертання планет навколо Сонця. Вони рухаються по своїх орбітах відповідно до закону всесвітнього тяжіння, і кожній планеті "абсолютно байдуже", як і за якою орбіті рухається інша.
Є й інший тип обертання - твердотільний. У Галактиці твердотільної обертається лише деякий ділянку диска, в якому лінійна швидкість зростає пропорційно радіусу.
Самим примітним процесом в проблемі обертання є рух спіральних рукавів. У них міститься значна кількість газу і пилу, в них відбуваються інтенсивні процеси зореутворення, молоді зірки тут зустрічаються частіше, ніж в інших областях Галактики. Але як і чому виникає спіральна структура?
Припущення, яке настійно виникає, полягає в тому, що центри туманностей мають характер сингулярних точок. У цих точках матерія втікає в наш світ з деякого іншого й зовсім сторонньої простору. Тим самим мешканцям нашого світу сингулярні точки представляються місцями, де безперервно народжується матерія.
Зараз ми знаємо, що дійсно в центрах галактик можуть знаходитися сингулярні точки - чорні діри, що вони можуть принаймні переробляти матерію.
В тій чи іншій мірі радіовипромінювальних активність властива всім галактик, і, головним чином, саме по активності в радіодіапазоні вдається простежити енергетику процесів, що відбуваються в ядрах галактик.
До 1962 року вважалося, що квазари (квазізоряних джерела) розташовані в межах нашої Галактики. Ця точка зору підкріплювалася змінністю світлового випромінювання радіоджерела 3С 48. Добре відомо, що змінність випромінювання в оптиці - річ, яка характерна саме для зірок. Для пояснення властивостей квазізоряних об'єктів було запропоновано кілька шляхів.
І. Ціолковський припустив, що ці джерела мають більшу кількість спалахів наднових. Ф. Хойл запропонував, зібрати мільйони зірок в одне сверхтело, але ця гіпотеза в той час не могла переступити через психологічний бар'єр, через якого не допускалася в принципі можливість існування зірок з масою більше 50 мас Сонця. До того ж ці об'єкти повинні були світити яскравіше цілої галактики, що в той час здавалося нісенітницею. Але зміст ідеї Хойла виявилося пророчим.
Тим часом астрономами робилися справді героїчні спроби уточнення характеристик квазарів. Виявилося, що 3С 273 - подвійне джерело, причому положення компонентів було визначено з точністю в 1''. Одна з компонент виявилася звичайною зірочкою 13 величини, але при уважному аналізі вдалося з'ясувати, що з "зірочки" виходить струмінь довжиною в 100 тисяч світлових років, яка сама є джерелом оптичного і радіовипромінювання. Аналіз червоного зміщення ліній джерела 3С 273 дозволив встановити швидкість його віддалення від нас. Вона виявилася величезною - 42 тисячі км / год.
Але тоді це джерело знаходиться від нас на відстані близько 600 мегапарсек.
Відразу ж виникло питання про інтенсивність світіння цього джерела в оптиці. Адже якщо його видно з відстані близько двох мільярдів світлових років, як зірка тринадцятий величини, то його світність в сто разів перевищує світимість нашої Галактики, яка містить сотні мільярдів зірок. Причому кванти квазар випромінював в той час, коли Всесвіт був зовсім молода.
Ми згадували про невирішеність оптичного випромінювання квазарів. У цьому плані особливо цікавий квазар 3С 279, який можна зараз спостерігати як слабопеременную зірочку 18-ї величини. Однак, на знімках, зроблених до другої світової війни, його видно як об'єкт майже 13 величини. Оцінки показують, що в той час 3С279 світил у десять тисяч разів сильніше нашої Галактики. Але розміри випромінюючої області дуже малі - менше світлового року. До того ж виявилося, що і в рентгенівському діапазоні багато квазари світять в 1000 разів могутніше, ніж, наприклад, Чумацький Шлях.
З приводу квазарів можна сформулювати два найбільш інтригуючих питання:
Чи пов'язані квазари з ядрами галактик чи це принципово новий об'єкт у Всесвіті?
Яка природа жахливого випромінювання квазарів?
Досліджуючи великі вибірки квазарів, вдалося встановити в ряді випадків наявність у них додаткової структури навколо найбільш яскравого, причому іноді ця структура нагадує структуру галактик. Ці результати переконують нас, що квазари тим чи іншим чином співвідносяться з ядрами галактик. Можливо, що галактики проходять через стадію квазарів, коли їх ядра екстремально яскраві. І тоді в ядрах інших, менш яскравих галактик можуть знаходитися зараз мертві квазари.
Але що живить живої квазар? Яке його будова? Звичайно ж, при вирішенні черговий загадки, поставленої перед нами природою, не обійшлося без чорної діри.
Передбачається, що в центрі квазара в центрі галактичного ядра є компактний надмасивних об'єкт - чорна діра з масою приблизно в мільярд сонячних мас. Такі надмасивні чорні діри можуть утворюватися в процесі росту "звичайної" чорної діри масою в кілька десятків сонячних. Згодом, ця діра росте, поглинаючи зірки, міжзоряне середовище і, можливо, інші чорні діри, доводячи свою масу до необхідних значень.
Потім, в результаті падіння газу на чорну діру, утворюється акреційний диск, разом з усіма супутніми явищами, які можуть пояснити екзотичні особливості ядер галактик і квазарів.
2. "Зірки й галактики"
3. Л. Мухін, "Світ Астрономії" Видавництво "Молода гвардія", 1997 р.
4. "Що таке типу?"
5. "Народження галактик"
6. "Властивості галактик"
7. "Наша Галактика"
8. "Ядра галактик"
9. Велика Радянська енциклопедія.
10. Астрономічний календар.
Аналіз процесів гравітаційної нестійкості в однорідному спочиває середовищі привів до поняття "дешенсовой маси" і "дешенсова розміру" (на честь Д. Дешенса - знаменитого англійського астронома, що займався питанням гравітаційної нестійкості). Дешенсовая довжина - це критичний розмір ділянки нашого середовища, при якому сила тяжіння порівнянна з перепадом тиску в об'ємі цієї ділянки.
Дешенсова маса - це маса ділянки, що володіє критичним розміром.
Що дає нам поняття критичної довжини та маси? Флуктуація - це таке утворення, яке зобов'язане або жити і розвиватися, або врешті-решт зникнути. Статичної вона бути не може. Доля флуктуації повністю визначається результатом конкурентної боротьби гравітації і перепаду тиску, а критична маса і розмір - кількісний критерій цього результату. Природно, що Дешенсовая довжина прямо пропорційна щільності середовища.
Якщо розміри згущення менше критичної довжини Дешенса, то сила тиску переважає над гравітаційної, і згущення починає розширюватися. Якщо ж розміри перевищують критичну довжину Дешенса, то щільність згущень буде рости.
Якісна картина виникнення і зростання згущень справедлива лише для нескінченної, однорідного середовища. Над цим працював академік Є. Ліфшиць. Теорія, розвинена Є. Ліфшицем, дозволяє акуратно і точно розраховувати часову еволюцію згущень і їх початкову величину. Ми вже говорили про процеси конденсації вологи в атмосфері. У них велика роль флуктуації щільності. Ці флуктуації виникають із-за випадкового підвищення щільності повітря в силу хаотичного тиску молекул газового середовища. Чи не становить особливої складності оцінити величину чисто теплової флуктуації щільності, у системі N частинок. Це може бути атмосфера, Район Всесвіту, що містить число часток, відповідний числу частинок в нашій Галактиці (близько 10 68). Оскільки для будь-якої термодинамічної системи відносне значення флуктуації щільності одно 1/SQR (N), то для N = жовтень 1968 відносна величина теплового обурення щільності дорівнює 10 -34. Відносна величина обурення щільності визначається як (Pф - Рс) / Рс, де Pф - щільність в районі обурення, а Pc - середня щільність середовища. Але теорія Ліфшиця вимагає, щоб у момент часу рівний одній секунді після Великого вибуху, у Всесвіті існували початкові збурення, відносна величина яких ніяк не менше 10 -17. Здавалося б, дуже маленька величина, але вона на 17 порядків перевищує значення суто теплових флуктуацій. Саме питання про те, які процеси в ранньому Всесвіті могли призвести до появи флуктуацій необхідної величини, мучать теоретиків вже багато років.
Число невирішених проблем у цій галузі як туман закривають від нас таємниче походження галактик.
А питання це принципове. Адже спостережні дані свідчать про те, що в неозорих просторах Всесвіту галактики утворюють величезні космічні стільники - надшвидкісні, навколишні гігантські "чорні області" - порожнини.
Розрахунки показують, що стиснення речовини буде анізотропним. Обсяг може мінятися від форми куба до пластини. Таку пластину назвали "млинцем". Спочатку ізольовані один від одного плоскі "млинці" дуже скоро виростають в плоскі шари. Ці шари переміщуються, і в процесі їх взаємодії утворюється ячеисто - сітчаста структура, де стінками порожнеч служать млинці. Окремі млинці представляють собою надскупчення галактик, що має уплощенную форму. Існують і інші підходи до проблеми структурування.
Теорія млинців оперує лише з сверхструктурой Всесвіту, не відповідаючи на питання про походження дрібніших утворень - галактик. Для вирішення цього питання повернемося до маси Дешенса.
Ретельний аналіз еволюції збурень густини різних типів в нашому Всесвіті показує, що до часу рекомбінації залишається два виділених масштабу мас: 6 жовтня і10 12 сонячних мас. Маси кульових скупчень становлять близько мільйона сонячних мас, а маси найбільш масивних галактик і невеликих скупчень наближаються до величини 10 грудень мас Сонця.
Безумовно, цей факт заслуговує на увагу. З'явилася чергова гіпотеза, відповідно до якої з первинних збурень з масою 10 5 - 10 червня мас Сонця виникло "все" - і кульові скупчення, і галактики, і скупчення галактик. У цій теорії суттєво обставина, що маса вихідного згустку, порівнянна з масою Дешенса. Тому, сили тиску також можна порівняти з силами гравітації.
Властивості галактик
Сьогодні нам добре відомо, що еліптичні освіти у Всесвіті не туманності, а зіркові системи. Питання еволюції вже утворилися зоряних систем - галактик, змушує нас звернути увагу і на їх обертання, взаємодія один з одним, причин морфологічних відмінностей і т.д.Одним з досить складних і цікавих питань є проблема дуже широкого діапазону мас галактик. Для пояснення цієї проблеми можна припустити, що певну роль в утворенні галактик грала не тільки газова орлагментація, але і злиття первинних галактик.
У процесі злиття двох галактик спочатку утворюється обсяг зовсім неправильної форми. Але потім ці неправильності згладжуються, і в результаті утворюється масивна галактика еліптичної форми. Процес цей займає кілька сотень мільйонів років.
У скупченнях галактик присутній такий надгігантських компонент - галактика-монстр. Їх радіус досягає мільйона світлових років, а світність в 100 разів може перевищувати світність нашої Галактики. Такі галактики спочатку лише ненабагато перевищують інші, але у міру руху по спіральної траєкторії до центру скупчення ця галактика заковтує дрібніші системи. Звичайно, подібні процеси спостерігаються не в кожному скупченні галактик. Іноді взаємодія галактик може мати характер лобового зіткнення. При такому зіткненні центральні області однією з галактик можуть бути викинуті назовні. У результаті утворюється кільцева структура, що є нестійку, короткоживучі систему.
Не тільки динаміка взаємодії галактик змушує згадати загальне космологічне розширення. Існує ще одна важлива обставина, пов'язана з будовою галактик, яке може вплинути на характер розширення Всесвіту.
У спіральних галактиках зірки, що знаходяться в диску, звертаються навколо загального центру мас. Рух зірок, газу і пилу, як і рух планет у Сонячній системі визначається законом всесвітнього тяжіння. На стабільній орбіті сила тяжіння дорівнює відцентрової силі:
G * Mr * m m * V 2 * r ^ 2
------------------ - = - ------------------ -,
R 2 r
де Mr - маса укладена в межах від 0 до r.
Vr - орбітальна швидкість маси m. Якщо маса зосереджена в центрі, то зміна швидкості відбувається за законом Кеплера. Зазвичай в галактиках максимум яскравості доводиться на центр, а до периферії яскравість швидко падає. Астрономи припускали, що орбітальна швидкість зірок повинна змінюватися за законом Кеплера, тобто зменшуватися зі збільшенням відстані від центру Галактики. Останнім часом виконані ретельні спостереження обертових дисків спіральних галактик. Ці спостереження принесли сенсаційні результати. Виявилося, що у віддалених від центру галактик районах швидкість обертання не зменшується у міру збільшення радіусу. Більше того, у ряді випадків вона збільшується.
У галактиках є невидима маса, коригувальна швидкість орбітальних рухів. Невидима маса цілком може зупинити розширення Всесвіту. Після спостережень, виявилося, що наявність невидимої маси - повсюдне явище.
Наша Галактика
Гігантська галактика система, яка називається Чумацьким Шляхом входить в місцеву систему і є однією з найбільш великих галактик системи. У світі галактик наш Чумацький Шлях займає аж ніяк не останнє місце. Це гігантська галактика з діаметром диска близько 100 тис. світлових років і товщиною близько 30 тис. світлових років. Маса видимої речовини в Галактиці оцінюється в 1,5 * 10 11 сонячних мас. Але, незважаючи на вражаючу величину маси Чумацького Шляху, ще більша маса невидимого речовини міститься в короні Галактики. Ця маса оцінюється приблизно в 10 12 мас Сонця. У Галактиці зірки народжуються з масивних газопилових хмар. Самі зірки знову виробляють газ і пил, які поставляються ними у міжзоряне середовище. Процес народження зірок залежить і від космічних променів, а космічні промені, в свою чергу, виробляються надновими. Що собою являють космічні промені? Це заряджені частинки дуже високих енергій. Вони приходять на Землю в достатній мірі изотропно, тобто приблизно в однакових кількостях з усіх напрямків. Вони подорожують у Галактиці близько десяти мільйонів років. Складовими частинами нашої Галактики є космічні промені і магнітні поля. Надзвичайно важливою компонентою Галактики є міжзоряне середовище. В основному це газ і пил. Газ - міжзоряний водень. Він сконцентрований у тонкому диску, утвореному молодими зірками, і утворює окремі хмари. Деяка кількість газу виявлено поза диска. Водень може бути присутнім як в атомарній, так і молекулярній формі. Гігантські молекулярні хмари містять у формі молекулярного водню значну частину маси міжзоряного газу в Галактиці. Їх характерний розмір становить 20-30 парсеків. Його маса в сотні тисяч разів перевищує масу Сонця. Таким чином, гігантські хмари молекулярного водню є найбільш масивними ізольованими об'єктами в Галактиці.Масу проблем ставить перед астрономами і центр Галактики. Положення ускладнюється тим, що центральна область Чумацького Шляху прихована від нас другим важливим компонентом міжзоряного середовища - пилом.
Центри галактик виявляють різні форми активності, і наша Галактика не є винятком. Центральні області Галактики можна підрозділити на три характерні зони. У зоні, що має радіус близько 4 кілопарсек, найбільш цікаво різке падіння щільності газу. Утворюється свого роду "дірка" у газовому диску Галактики. На відстані від центру 600-700 парсек проходить "межа" дуже цікавого району, який прийнято називати зоряним балджем (від англ. Bulge - опуклість). Ця область і по "формі" і по "змістом" нагадує невелику еліптичну галактику, вкраплену в центр Чумацького Шляху. Так само як еліптична галактика, балдж містить в основному старі зірки, вік яких більше середнього віку зоряного населення диска.
Найбільш загадкова область Галактики - центральний парсек. За космічними масштабами ця область невелика, але тут спостерігаються аномалії, які мають поки задовільного пояснення. Наприклад, там знаходиться "міні-спіраль" - незвичайний джерело радіовипромінювання діаметром всього в 12 світлових років, а так само іншого швидкозмінних компактний радіоджерело з періодом порядку декілька хвилин. Це джерело розташований точно на осі обертання. У тому ж напрямку знаходиться абсолютно незвичайний об'єкт, унікальне джерело, що випромінює вузьку лінію, відповідну асиміляції електронів і позитронів! Там же розташований точковий рентгенівське джерело змінної інтенсивності. Пояснити наявність всіх цих джерел в порівняно маленької області простору можна за допомогою чорних дір.
За моделлю Н. Кардашева, в центрі Галактики повинна знаходитися пара чорних дір. Наявність такої пари дає можливість пояснити природу і параметри компактного радіоджерела і загадковою асиміляційну лінії. Це пояснюється наявністю хмари атомарного водню. Такі хмари були викинуті з області центрального парсека завдяки ефекту пращі. Залишки після вибуху наднової у масивній подвійній системі (центральний парсек) так само можуть служити джерелом позитронів, асиміляція яких і дає спостережувану лінію.
Перейдемо тепер до проблем, пов'язаних з обертанням Галактики. Наша Галактика обертається досить складним чином. Значна частина матерії Галактики обертається диференційно. Пояснимо, що це таке. Гарним прикладом диференціального обертання служить обертання планет навколо Сонця. Вони рухаються по своїх орбітах відповідно до закону всесвітнього тяжіння, і кожній планеті "абсолютно байдуже", як і за якою орбіті рухається інша.
Є й інший тип обертання - твердотільний. У Галактиці твердотільної обертається лише деякий ділянку диска, в якому лінійна швидкість зростає пропорційно радіусу.
Самим примітним процесом в проблемі обертання є рух спіральних рукавів. У них міститься значна кількість газу і пилу, в них відбуваються інтенсивні процеси зореутворення, молоді зірки тут зустрічаються частіше, ніж в інших областях Галактики. Але як і чому виникає спіральна структура?
Припущення, яке настійно виникає, полягає в тому, що центри туманностей мають характер сингулярних точок. У цих точках матерія втікає в наш світ з деякого іншого й зовсім сторонньої простору. Тим самим мешканцям нашого світу сингулярні точки представляються місцями, де безперервно народжується матерія.
Зараз ми знаємо, що дійсно в центрах галактик можуть знаходитися сингулярні точки - чорні діри, що вони можуть принаймні переробляти матерію.
Ядра галактик
На закінчення хотілося б повернутися до проблеми активності галактичних ядер, оскільки ця проблема в ряді випадків тісно пов'язана з найцікавішими і загадковими об'єктами Всесвіту - квазарами.В тій чи іншій мірі радіовипромінювальних активність властива всім галактик, і, головним чином, саме по активності в радіодіапазоні вдається простежити енергетику процесів, що відбуваються в ядрах галактик.
До 1962 року вважалося, що квазари (квазізоряних джерела) розташовані в межах нашої Галактики. Ця точка зору підкріплювалася змінністю світлового випромінювання радіоджерела 3С 48. Добре відомо, що змінність випромінювання в оптиці - річ, яка характерна саме для зірок. Для пояснення властивостей квазізоряних об'єктів було запропоновано кілька шляхів.
І. Ціолковський припустив, що ці джерела мають більшу кількість спалахів наднових. Ф. Хойл запропонував, зібрати мільйони зірок в одне сверхтело, але ця гіпотеза в той час не могла переступити через психологічний бар'єр, через якого не допускалася в принципі можливість існування зірок з масою більше 50 мас Сонця. До того ж ці об'єкти повинні були світити яскравіше цілої галактики, що в той час здавалося нісенітницею. Але зміст ідеї Хойла виявилося пророчим.
Тим часом астрономами робилися справді героїчні спроби уточнення характеристик квазарів. Виявилося, що 3С 273 - подвійне джерело, причому положення компонентів було визначено з точністю в 1''. Одна з компонент виявилася звичайною зірочкою 13 величини, але при уважному аналізі вдалося з'ясувати, що з "зірочки" виходить струмінь довжиною в 100 тисяч світлових років, яка сама є джерелом оптичного і радіовипромінювання. Аналіз червоного зміщення ліній джерела 3С 273 дозволив встановити швидкість його віддалення від нас. Вона виявилася величезною - 42 тисячі км / год.
Але тоді це джерело знаходиться від нас на відстані близько 600 мегапарсек.
Відразу ж виникло питання про інтенсивність світіння цього джерела в оптиці. Адже якщо його видно з відстані близько двох мільярдів світлових років, як зірка тринадцятий величини, то його світність в сто разів перевищує світимість нашої Галактики, яка містить сотні мільярдів зірок. Причому кванти квазар випромінював в той час, коли Всесвіт був зовсім молода.
Ми згадували про невирішеність оптичного випромінювання квазарів. У цьому плані особливо цікавий квазар 3С 279, який можна зараз спостерігати як слабопеременную зірочку 18-ї величини. Однак, на знімках, зроблених до другої світової війни, його видно як об'єкт майже 13 величини. Оцінки показують, що в той час 3С279 світил у десять тисяч разів сильніше нашої Галактики. Але розміри випромінюючої області дуже малі - менше світлового року. До того ж виявилося, що і в рентгенівському діапазоні багато квазари світять в 1000 разів могутніше, ніж, наприклад, Чумацький Шлях.
З приводу квазарів можна сформулювати два найбільш інтригуючих питання:
Чи пов'язані квазари з ядрами галактик чи це принципово новий об'єкт у Всесвіті?
Яка природа жахливого випромінювання квазарів?
Досліджуючи великі вибірки квазарів, вдалося встановити в ряді випадків наявність у них додаткової структури навколо найбільш яскравого, причому іноді ця структура нагадує структуру галактик. Ці результати переконують нас, що квазари тим чи іншим чином співвідносяться з ядрами галактик. Можливо, що галактики проходять через стадію квазарів, коли їх ядра екстремально яскраві. І тоді в ядрах інших, менш яскравих галактик можуть знаходитися зараз мертві квазари.
Але що живить живої квазар? Яке його будова? Звичайно ж, при вирішенні черговий загадки, поставленої перед нами природою, не обійшлося без чорної діри.
Передбачається, що в центрі квазара в центрі галактичного ядра є компактний надмасивних об'єкт - чорна діра з масою приблизно в мільярд сонячних мас. Такі надмасивні чорні діри можуть утворюватися в процесі росту "звичайної" чорної діри масою в кілька десятків сонячних. Згодом, ця діра росте, поглинаючи зірки, міжзоряне середовище і, можливо, інші чорні діри, доводячи свою масу до необхідних значень.
Потім, в результаті падіння газу на чорну діру, утворюється акреційний диск, разом з усіма супутніми явищами, які можуть пояснити екзотичні особливості ядер галактик і квазарів.
Висновок
Галактики зараз привертають великий інтерес астрономів, ніж зірки. Це можна пояснити тим, що, з одного боку, в загальних рисах властивості зірок вже зрозумілі до сьогоднішнього дня, а, з іншого боку, введення в дію нової астрономічної техніки приносить все нову і часто загадкову інформацію про галактики. Фізика галактик, як ми вже бачили, тісно пов'язана з космологічними проблемами, еволюцією і будовою зірок, міжзоряного середовища. У цій області спостерігається надзвичайно швидкий прогрес, проте, до побудови загальної стрункої теорії походження й еволюції галактик ще далеко.Література
1. Л.Е. Гуревич, А.Д. Чернін "Походження галактик і зірок". Видавництво "Наука", 2005 р.2. "Зірки й галактики"
3. Л. Мухін, "Світ Астрономії" Видавництво "Молода гвардія", 1997 р.
4. "Що таке типу?"
5. "Народження галактик"
6. "Властивості галактик"
7. "Наша Галактика"
8. "Ядра галактик"
9. Велика Радянська енциклопедія.
10. Астрономічний календар.