Астрономія. Профільний рівень. 11 клас. Пришляк

Галактична і позагалактична астрономія

Тема. Наша Галактика

1. Молочний Шлях. Будова Галактики. Зоряні скупчення та асоціації. Туманності. Місце Сонячної системи в Галактиці

Молочний Шлях. Будова Галактики. Галактика — гравітаційно пов’язана система зір і зоряних скупчень, міжзоряного газу, пилу й темної матерії. Усі об’єкти в складі галактик беруть участь в обертанні навколо спільного центра мас. Галактики — надзвичайно далекі об’єкти. Відстань до найближчих із них вимірюється в мегапарсеках, а до далеких — в одиницях червоного зміщення. Саме через віддаленість неозброєним оком розрізнити на небі можна лише три з них: туманність Андромеди (видно в Північній півкулі), Велику і Малу Магелланові Хмари (видно в Південній півкулі). Вирізнити окремі зорі в зображеннях інших галактик не вдавалося аж до початку XX ст. До початку 1990-х рр. налічувалося не більше 30 галактик, в яких вдалося побачити окремі зорі (всі ці галактики належать до Місцевої групи). Після запуску космічного телескопа «Габбл» і введення в дію 10-метрових наземних телескопів кількість галактик, в яких вдалося розрізнити окремі зорі, значно зросла. Наша Галактика входить до Місцевої групи галактик (рис. 1.1).

За межами Сонячної системи, на відстані більш ніж 100000 а. о., починається зона тяжіння інших зір. Неозброєним оком на небі можна побачити близько 6000 зір, які утворюють 88 сузір’їв. Насправді зір набагато більше, але від далеких світил надходить так мало світла, що їх можна спостерігати тільки в телескоп. Великі скупчення зір, що утримуються силою тяжіння, називають галактиками.

У Всесвіті перебувають мільярди галактик, серед яких є і наша Галактика, яку називають Молочний, або Чумацький Шлях; до неї входить наша Сонячна система. На нічному небі ми бачимо її як сріблясту смугу (рис. 1.2). Наша Галактика — це величезна система, у якій обертаються навколо центра (рис. 1.3) мільярди зір. Гарячі зорі розміщені у вигляді диска зі спіральними рукавами. Галактики розташовані в скупченнях і формують комірчасту структуру Всесвіту. Найбільш віддалені космічні об’єкти, які ще можна побачити у сучасні телескопи, — квазари. Вони розташовані від нас на відстані 10 млрд св. років.

Рис. 1.1. Найближчі до Чумацького Шляху галактики

Галактика — велетенська зоряна система, яка складається приблизно із 200 млрд зір, до яких належить і Сонце

Молочний Шлях (або наша Галактика) — галактика, у якій розташована Сонячна система і всі окремі зорі, видимі неозброєним оком. У народі її ще називають Чумацьким Шляхом

Рис. 1.2. Молочний, або Чумацький, Шлях

Рис. 1.3. Центр Чумацького Шляху. Знімок з телескопа «Спітцер» в інфрачервоному спектрі

Дуже важко визначити вік, коли сформувався Чумацький Шлях, але наразі вік найдавніших зір у Галактиці оцінюється у 13,6 млрд років, що приблизно дорівнює віку Всесвіту. За сучасними уявленнями, Чумацький Шлях утворився внаслідок зіткнення і злиття невеликих галактик. Свідченням цього є перші зорі з низькою металевістю (відношення вмісту елементів, важчих за гелій, до вмісту гідрогену в зорі, яке є низьким: < -1.0), що утворилися на найранішому етапі існування Всесвіту. Такі зорі вчені знаходять у галактичному гало — «околиці» Чумацького Шляху, що тягнеться за межі його видимої частини.

За допомогою комп’ютерного моделювання фахівці з Гарвард-Смітсонівського астрофізичного центру дійшли висновку, що наша Галактика та галактика Андромеди (рис. 1.4), які наближаються одна до одної зі швидкістю близько 500 тис. км/год, врешті-решт об’єднаються. Це станеться приблизно за 2 млрд років.

Параметри нашої Галактики

Кількість зір

4 • 1011

Маса

7 • 1011 М

Діаметр диска

3 • 105 св. р.

Відстань від Сонця до центра

≈ 30 000 св. років

Галактичний рік

2,5 • 108 р (≈250 млн р)

Рис. 1.4. Комп'ютерна модель зближення Чумацького Шляху та галактики Андромеди

Галактику часто зображують як зоряну систему у вигляді велетенського млинця, у якому зорі рухаються в одній площині. Насправді Галактика має сферичну форму з діаметром майже 300 000 св. років, але більшість зір великої світності розміщується приблизно в одній площині, тому їх видно на небі як туманну світлу смугу, яку в Україні називають Чумацьким Шляхом.

Назва «Галактика» прийшла з Давньої Греції і в перекладі означає Молочний Шлях. Зверніть увагу, що всі яскраві зорі (сузір’я Оріон, Лебідь, Ліра, Орел) розташовані у смузі Молочного Шляху. У цій площині розташована значна частина газопилових туманностей, з яких утворюються нові покоління зір і планет.

Усі ці об’єкти формують так звану плоску складову Галактики, до якої входить і Сонячна система. Старі зорі малої світності, які входять у кулясті скупчення, належать до сферичної складової Галактики. За хімічним складом зорі кулястих скупчень містять у сотні разів менше важких хімічних елементів, ніж Сонце, адже це зорі першого покоління, які сформувалися разом з утворенням Галактики ще 10-15 млрд років тому. Зародження молодих зір і планетних систем зараз відбувається тільки у площині Галактики, де газопилові туманності утворюються після спалаху Нових та Наднових зір.

Рис. 1.5. Газопилова туманність Трифід у сузір'ї Стрільця

Зоряні скупчення та асоціації. Зорі в Галактиці утворюють певні системи, які тривалий час існують у спільному гравітаційному полі. Більшість зір рухається у подвійних та кратних системах, у яких компоненти обертаються навколо спільного центра мас подібно до обертання планет Сонячної системи. Найчисленніші системи об’єднання зір налічують сотні тисяч об’єктів — це зоряні скупчення та асоціації. Кулясті зоряні скупчення складаються з мільйонів зір. Розсіяні зоряні скупчення мають кілька тисяч об’єктів. Найяскравіші з них — Плеяди (Стожари) та Гіади — видно неозброєним оком у сузір’ї Тельця. У зоряні асоціації входять відносно молоді зорі, які мають спільне походження.

Туманності. Деякі туманності світяться, тому що їх висвітлюють сусідні зорі; інші залишаються хмарами темного газу. Оскільки міжзоряний пил поглинає світло, учені можуть визначити місце розташування такої туманності, яка затуляє більш далекі зорі.

Після спалаху зорі планети, які оберталися навколо неї, скоріш за все випаровуються й перетворюються на газову туманність, з якої в майбутньому може утворитися нове покоління зір.

Туманності — протяжні згущення газу й міжзоряного пилу в Галактиці, які виявляють себе поглинанням (темні туманності) або випромінюванням (світлі дифузні, емісійні туманності). Темні й світлі туманності відрізняються лише виглядом, методами їх виявлення і спостережень, особливістю випромінювання

Деякі газові туманності, що оточують зорі, називаються планетарними. Вони світяться завдяки енергії випромінювання центральної зорі — ядра планетарної туманності. Нині виявлено понад 1500 галактичних планетарних туманностей, їх знайдено і в найближчих галактиках, наприклад у Магелланових Хмарах.

Деякі туманності, за якими легко спостерігати

Сузір’я

Назва

Вид

Півкуля

Спосіб спостереження

Водолій

NGC7293

Планетарна

Південна

У бінокль

Кіль

NG3372

Пилова

Південна

У бінокль

Ліра

М57

Планетарна

Північна

У телескоп

Оріон

М42

Дифузна

Південна

Неозброєним оком

Стрілець

М20

Дифузна

Південна

У телескоп

Лисичка

М27

Планетарна

Північна

У телескоп

Місце Сонячної системи в Галактиці. Сонце розташоване поблизу площини Галактики на відстані 25 000 св. років від її ядра (рис. 1.6). Вектор швидкості Сонця відносно найближчих зір спрямований до сузір’я Геркулес. Разом з усіма сусідніми зорями Сонце обертається навколо ядра Галактики зі швидкістю 230 км/с. Період обертання Сонця навколо ядра називається галактичним роком, який дорівнює 250000000 земних років. Аналіз швидкості обертання зір свідчить про суттєву відміну між поведінкою об’єктів у сферичній та плоскій складових Галактики. Якщо зорі плоскої складової обертаються навколо центру Галактики поблизу однієї площини, то зорі сферичної складової об’єднані у величезні кулясті скупчення, що обертаються навколо центру по витягнутих орбітах у різних площинах. До того ж період обертання цих скупчень показує, що значна маса Галактики розподілена саме у сферичній складовій. Це можуть бути об’єкти малої маси, які не випромінюють енергію у видимій частині спектра, або чорні діри малої маси.

Сонячна система — це Сонце та всі об'єкти, що гравітаційно пов'язані з ним

Контрольні запитання

  • 1. Звідки походить назва «Молочний Шлях»?
  • 2. Які об’єкти формують плоску складову Галактики?
  • 3. Скільки видів зоряних скупчень вам відомо? Чим вони відрізняються?
  • 4. Які об’єкти складають Галактику?
  • 5. Скільки часу космічний корабель буде перетинати Галактику, рухаючись з першою космічною швидкістю? Очисліть.
  • 6. Схарактеризуйте особливості обертання Галактики.

2. Підсистеми Галактики та її спіральна структура

Однією з таємниць Галактики є так звані спіральні рукави (рис. 2.1), які зароджуються десь біля її центра. Сонце розташовується на периферії одного з таких рукавів, що закручений у площині галактичного диска. Астрономи вважають, що спіральні рукави виникають як спіральні хвилі густини, які створюються під час стискування хмар міжзоряного газу на початковому етапі формування зір. У свою чергу, при виникненні зір у міжзоряних хмарах газу та пилу виникають ударні хвилі, що призводить до утворення молодих зір. Коли масивні зорі спалахують як Наднові, то теж утворюються нові туманності, й нові ударні хвилі поширюються у міжзоряному просторі. Тобто формування однієї групи зір забезпечує створення механізму для утворення нового покоління зір. Цей процес інколи називають формуванням зір за допомогою саморозмноження. Такий перебіг подій може формувати спіральні хвилі густини не тільки в нашій Галактиці, а й в інших спіральних галактиках.

Кожен спіральний рукав описує логарифмічну спіраль із нахилом приблизно 12°. Вважається, що в нашій Галактиці існують чотири основні спіральні рукави, які беруть свій початок у галактичному центрі (рис. 2.2). Кожному з них надана власна назва: Рукав Лебедя, Рукав Кентавра, Рукав Стрільця, Рукав Персея. Також існує ще один невеликий рукав — Рукав Оріона, саме в ньому й розташована Сонячна система.

Спіральні рукави виникають у деяких галактиках як дивні хвилі густини, де формуються нові покоління зір.

Рис. 2.1. Структура спіральних рукавів Чумацького Шляху

Рис. 2.2 Спіральні рукави нашої Галактики

Рис. 2.3. Кільце Єдинорога — протяжний кільцеподібний ланцюг із зір, тричі обернений навколо Чумацького Шляху

Поза межами основних спіральних рукавів розташоване Зовнішнє Кільце, або Кільце Єдинорога. Воно складається із газу та зір, що були запозичені від інших галактик мільярди років тому.

Кільце Єдинорога — протяжний кільцеподібний ланцюг із зір, тричі обернений навколо Чумацького Шляху (рис. 2.3). Припускається, що структура сформувалася внаслідок виривання частини зір із галактики-супутника Великий Пес припливними силами в ході її довготривалого поглинання Чумацьким Шляхом. Вага Кільця Єдинорога становить 100 млн сонячних мас, завдовжки воно сягає 200 тис. св. років.

Дізнайтеся про різні типи галактик.

Контрольні запитання

  • 1. Чи має Галактика добре розвинену спіральну структуру?
  • 2. Де зароджуються спіральні рукави Галактики?
  • 3. Який процес називають формуванням зір за допомогою саморозмноження?
  • 4. Внаслідок яких подій сформувалася структура кільця Єдинорога?
  • 5. Доведіть, що Галактика має спіральну структуру.
  • 6. Намалюйте схему будови Галактики.