Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Головко

§ 38. Молочний Шлях та інші галактики

Опрацювавши цей параграф, ви зможете пояснити причину існування Молочного Шляху на зоряному небі Землі; місце Сонячної системи в Галактиці; природу галактик і квазарів; природу активності ядер галактик.

БУДОВА ГАЛАКТИКИ. Нині ми знаємо, що Сонячна система лежить усередині велетенського зоряного утворення — Галактики (наша галактика, або Молочний Шлях), яка вміщує до 400 млрд зір. Загальну її будову встановили тільки у ХХ ст. Зовні Галактика нагадує плоский диск, в якому є чітко виражені спіральні рукави (рис. 38.1).

Рис. 38.1. Приблизно такий вигляд має наша галактика, якщо її розглядати «згори» чи «знизу»

Диск Галактики з поперечником понад 30 кпк огортає гало — хмара розрідженої речовини радіусом до 46 кпк. Гало складається з газу, поодиноких окремих зір і темної матерії (детальніше про неї далі). Навколо ядра й центрального потовщення (балдж) є велика кількість кулястих зоряних скупчень, утворених старими холодними червоними зорями. У зв'язку з цим астрономи говорять про підсистеми Галактики — плоску і сферичну. Крім того, кожна з підсистем також поділяється на окремі підсистеми.

Астрономічні спостереження показують, що Галактика має чотири спіральні рукави, два з яких чітко виражені. Їх наявність вчені пояснюють гігантськими хвилями стиснення й розрідження міжзоряного газу, що поширюються галактичним диском.

Рис. 38.2. Вигляд нашої галактики збоку: 1 — гало; 2 — кулясте скупчення; 3 — балдж; 4 — товстий диск; 5 — тонкий диск; 6 — галактичний екватор; 7 — галактичний центр

Наша планетна система лежить в одному з «тихих закутків» Галактики на відстані майже 9 кпк від центра. Перебуваючи на такій відстані, Сонце зі швидкістю 220 км/с здійснює один оберт навколо центра Галактики за майже 230 млн років. Цей період називають галактичним роком. За час свого існування Сонячна система обійшла навколо центра Галактики приблизно 30 разів.

Важливо те, що орбітальна швидкість Сонця в Галактиці майже збіглася зі швидкістю руху хвиль стиснення. Тому наша планетна система залишається попереду фронту хвилі вже кілька мільярдів років, фактично між двома спіральними рукавами, в яких відбувається активне зоре утворення (рис. 38.3). Ця обставина, імовірно, мала велике значення для виникнення життя на Землі, адже забезпечувала відносно спокійні для цього умови.

Рис. 38.3. Приблизне місце перебування Сонця в Галактиці

На зоряному небі можна спостерігати не тільки зорі, а й слабкі туманні плями. Деякі з туманностей насправді є групами слабких зір. Це кулясті та розсіяні зоряні скупчення — пов'язані взаємним тяжінням групи зір спільного походження.

Кулясті зоряні скупчення — це щільні системи, утворені сотнями тисяч чи кількома мільйонами зір, що мають правильну, майже сферичну форму (рис. 38.4). Концентруючись навколо ядра Галактики, вони лежать на значних відстанях від її диска. Зорі кулястих скупчень віком від 5—6 млрд до понад 12 млрд років — найстаріші в Галактиці.

Рис. 38.4. Кулясті скупчення зір лежать дуже далеко від Землі. Найвідоміші з них: М13 у сузір'ї Геркулеса (а) і М3 у сузір'ї Гончих Псів (б). Тут літера М у позначенні скупчення означає, що цей об'єкт занесено до каталогу Мессьє

Розсіяні зоряні скупчення об'єднують від кількох десятків до кількох тисяч зір і містяться в диску Галактики (поблизу галактичної площини). Вони не мають чіткої зовнішньої форми, але виявляють себе як ділянки, де зір більше, ніж у середньому на небі (рис. 38.5). Зорі розсіяних скупчень зазвичай молоді віком — приблизно десятки чи сотні мільйонів років і мають приблизно однаковий хімічний склад, що свідчить про їх спільне походження.

Рис. 38.5. Одне з найвідоміших розсіяних зоряних скупчень Плеяди (сузір'я Тельця)

На зоряному небі можна бачити небесні об'єкти різної форми, утворені великими хмарами розрідженого газу і пилу. Їх називають туманностями і, відповідно до зовнішнього вигляду, поділяють на планетарні й дифузні (рис. 38.6 а), а за фізичною природою — на газові, пилові та газопилові. Усі планетарні туманності й частина дифузних є газовими. Пилові туманності є і світлі, і темні (рис. 38.6, б).

Рис. 38.6. Світла туманність Оріона — найяскравіша на небі дифузна світла туманність, яку можна бачити неозброєним оком (а), та одна з найвідоміших у Північній півкулі неба темних туманностей — Кінська Голова в сузір'ї Оріона (б)

Крім туманностей і зоряних скупчень, у Галактиці є міжзоряна речовина — надзвичайно розріджений газ і пил. Деяка частина цієї речовини нагріта до температур майже в мільйон кельвінів, тому її можна спостерігати в ультрафіолетових і рентгенівських променях. Інша її складова — холодний газ, про який дізналися, реєструючи радіохвилі довжиною 21 см, що їх випромінюють атоми Гідрогену. Так відкрили хмари атомарного нейтрального Гідрогену і ще холодніші й щільніші хмари молекулярного Гідрогену, маса речовини яких досягає сотень тисяч і навіть мільйонів мас Сонця. У молекулярних хмарах, окрім молекул Гідрогену (Н₂), є й складніші молекули (наприклад, вода (Н₂О), аміак (NH₃), етиловий спирт (СН₃СН₂ОН) тощо), серед них і найпростіші органічні сполуки.

Окрім того, міжзоряну речовину пронизують швидкі елементарні частинки — космічні промені, електромагнітне випромінювання і дуже слабкі магнітні поля, пов'язані з хмарами міжзоряного газу. Магнітні поля сприяють утворенню найщільніших холодних хмар, де формуються зорі.

ГАЛАКТИКИ І КВАЗАРИ. 1923 р. американський астроном Е. Габбл виявив на околицях Туманності Андромеди цефеїди. Визначивши відстань до них, Габбл зрозумів — Туманність Андромеди перебуває від нас на значно більшій відстані, ніж поперечник Молочного Шляху. Нині цю відстань оцінюють у 705,5 кпк (2,3 млн св. р.). Згодом з'ясувалося, що Всесвіт заповнений такими зоряними системами — галактиками.

Рис. 38.7. Роздвоєння Молочного Шляху від сузір'я Оріона до сузір'я Скорпіона є наслідком ослаблення випромінювання зір, що відбувається в результаті взаємодії електромагнітних хвиль (фотонів) з частинками речовини (пилу) в міжзоряному середовищі

На небі Землі є тільки три галактики, які можна бачити неозброєним оком. Одна з них — Туманність Андромеди (рис. 38.8, а). Дві інші галактики — Велика та Мала Магелланові Хмари — містяться в Південній півкулі зоряного неба (рис. 38.8. б). Вони є супутниками Молочного Шляху й віддалені від нього відповідно на 58 і 49 кпк (190 тис. і 160 тис. св. р.).

Рис. 38.8. Галактика в сузір'ї Андромеди — доступна для спостережень в Україні (а), Велика і Мала Магелланові Хмари, названі на честь мореплавця Фернана Магеллана, містяться у Південній півкулі небесної сфери (б)

Світ галактик різноманітний. Першим у 1925 р. галактики за їхнім зовнішнім виглядом класифікував Е. Габбл. Він виокремив три типи галактик: еліптичні, спіральні й неправильні (рис. 38.9).

Рис. 38.9. Класифікація галактик, виконана Е. Габблом за зовнішнім виглядом

Еліптичні галактики складаються переважно зі старих зір, серед яких найяскравіші — червоні гіганти. У таких галактиках немає міжзоряної матерії, і процеси зореутворення в них не відбуваються. Маси еліптичних галактик лежать у межах від одного мільйона сонячних мас (карликові еліптичні галактики) до кількох тисяч мільярдів сонячних мас (гігантські еліптичні галактики).

Спіральні галактики з гладкими, туго закрученими рукавами відносять до типу Sa. Вони мають яскравий і протяжний балдж, а рукави — нечіткі й розмиті. Якщо спіралі потужніші й чіткіші, а центральна зона виокремлюється менше, то такі галактики зараховують до типу Sb. За наявності клоччастої спіральної структури й балджа, що виокремлений слабко, галактики відносять до типу Sc.

До окремої групи належать спіральні галактики з перемичкою (SB): ядро галактики перетинає пряма зоряна смуга — перемичка, або бар, з якої й «ростуть» спіралі. Ці галактики також поділяються на три типи (SBa, SBb і SBc). У цілому звичайних спіральних галактик і галактик з перемичками більше половини від загальної їх кількості.

Галактики, в яких неможливо визначити форму, класифікують як неправильні (Ir). Маси цих галактик дуже малі (соті частки маси Молочного Шляху), і зазвичай вони є супутниками більших галактик (приклад таких зоряних систем — Магелланові Хмари).

У середині 20-х рр. ХХ століття бельгійський католицький священник, астроном і математик Жорж Леметр, розробляючи космологічну модель (§ 39) Всесвіту, згідно з якою наш світ виник унаслідок вибуху надщільної матерії («первинного атома»), сформулював залежність між швидкістю руху галактик і відстанями до них. Спостереження Е. Габбла підтвердили цю закономірність. На підставі вимірів зміщення спектральних ліній галактик у червону ділянку спектра (ефект Доплера, рис. 38.10) Габбл зробив висновок: що далі галактика від Землі, то з більшою швидкістю вона рухається.

Рис. 38.10. Зміщення спектральних ліній далекої галактики в червону ділянку спектра порівняно з еталонним спектром

Так було відкрите явище розбігання галактик. Тепер залежність між відстанню до галактики та швидкістю її віддалення називають законом Габбла — Леметра (рис. 38.11). Цей закон має вигляд:

v = Hr,

де v — швидкість руху галактики; r — відстань до неї; H — стала Габбла.

Рис. 38.11. Графік, що ілюструє закон Габбла — Леметра (з оригінальної роботи Е. Габбла)

Сталу Габбла H визначають зі спостережень і нині оцінюють в 71±2,7 км/(с · Мпк). Тобто на кожний мегапарсек швидкість руху галактики зростає на 71±2,7 км/с.

Із закону Габбла — Леметра випливає принаймні два важливих висновки. Перший — Всесвіт розширюється, наслідком чого і є розбігання галактик. Причому, як показали спостереження, розсувається простір між галактиками. Другий висновок — Всесвіт колись мав початок.

У 40-х роках ХХ ст. відкрили галактики з активними ядрами, що не відповідали класифікації Габбла. До них відносять галактики Сейферта, галактики Маркаряна, радіогалактики, квазари та деякі інші. Усім цим об'єктам, як порівняти зі звичайними галактиками, властива дуже інтенсивна енергетична діяльність у центральних зонах, зокрема в ядрі.

Радіогалактиками вважають галактики, випромінювання яких у радіодіапазоні в тисячі й десятки тисяч разів потужніше, ніж у Молочного Шляху чи схожих на нього зоряних систем (рис. 38.12).

Рис. 38.12. Еліптична галактика із сузір'я Кентавра — приклад радіогалактики

У 60-ті роки ХХ ст. астрономи відкрили надзвичайно потужні віддалені радіоджерела, які за спостереженнями в оптичному діапазоні зовнішнім виглядом більше нагадували зорі, ніж галактики. Їх виокремили в особливий клас і назвали квазарами (квазізоряними радіоджерелами). Водночас з'ясували, що оптичні спектри квазарів дуже схожі на спектри галактик Сейферта.

Після вимірювання в спектрах квазарів червоного зміщення з'ясувалося, що ці об'єкти перебувають від нас на відстані від 0,46 до понад 3 Мпк. Згідно із сучасними уявленнями квазари — це дуже компактні й активні ядра деяких галактик, де в об'ємах, як об'єм Сонячної системи, відбувається таке колосальне виділення енергії, що слабкі спіральні рукави самих галактик важко побачити. Спричиняють це явище надмасивні (від 100 млн до 1 млрд сонячних мас) чорні діри в ядрах квазарів. Речовина, що падає в чорну діру, формує навколо неї в екваторіальній площині кільцеву структуру, яку називають акреційним диском. Падаючи в діру вздовж спіралі, газ унаслідок внутрішнього тертя істотно нагрівається й випромінює інфрачервоні, видимі, ультрафіолетові, рентгенівські промені, а іноді й гамма-кванти, які можна зареєструвати.

Нині встановлено, що галактики, як і зорі, утворюють скупчення. Наша галактика і ще майже п'ять десятків її сусідок входять до складу скупчення, яке називають Місцевою групою галактик.

Водночас скупчення галактик об'єднуються в галактичні надскупчення, які охоплюють у космосі ділянки розмірами в кілька десятків мегапарсеків.

Скупчення й надскупчення галактик, зібрані у волокнисті структури завдовжки в десятки мегапарсеків, утворюють своєрідні «нитки» і «стіни», що огортають велетенські порожнини — войди (рис. 38.13). Порожнини, схожі на бджолині стільники, дотикаються одна до одної, утворюючи комірчасту структуру Всесвіту. Наразі встановлено, що в порожнинах міститься темна матерія, природа якої сьогодні невідома.

Рис. 38.13. Комірчаста структура Всесвіту (фрагмент комп'ютерного моделювання)

! Головне в цьому параграфі

Сонячна система перебуває в доволі «затишному» місці велетенського зоряного утворення — галактики Молочний Шлях. У нашій галактиці є зорі, зоряні скупчення (розсіяні й кулясті), різного роду туманності з газу і пилу, космічні частинки, магнітні поля.

Галактики — основні «цеглинки», з яких нині складається Всесвіт. За зовнішнім виглядом галактик Е. Габбл виокремив три їх типи: еліптичні, спіральні й неправильні. Також Е. Габбл довів, що Всесвіт розширюється, наслідком чого є розбігання галактик. Нині з'ясовано: галактики утворюють скупчення й надскупчення. За сучасними уявленнями, Всесвіт має комірчасту структуру, тобто складається з великих порожнин (войдів), схожих на бджолині стільники, що дотикаються одна до одної.

? Запитання для самоперевірки

• 1. В яких утвореннях Галактики можна побачити зорі однакового віку й однакового початкового хімічного складу?
• 2. У галактиці відомо кілька типів не схожих між собою туманностей. Що це за туманності?
• 3. Які типи галактик вам відомі?
• 4. Які є методи визначення відстаней до галактик?
• 5. Що мають на увазі, коли говорять про комірчасту структуру Всесвіту?