Фізика і астрономія. Профільний рівень. 11 клас. Засєкіна

§ 55. Наша Галактика

Будова й структура Галактики. У Всесвіті є мільярди галактик, серед яких і наша Галактика (пишеться з великої літери, щоб уникнути плутанини з іншими). Наша Галактика — це величезна система, у якій обертаються навколо центра 400 млрд зір. Неозброєним оком на всій небесній сфері ми бачимо близько 6000 зір і проєкцію частини Галактики — Молочний Шлях. В Україні її ще називали Чумацький Шлях, Стан, Божа Дорога (мал. 225). Назву Молочний Шлях використовують і як власну назву нашої Галактики.

Мал. 225. Наша Галактика: а — жовтим колом обведено зорі Галактики, які ми бачимо; б — Чумацький шлях; в — В. Гершель

Вивчати будову Галактики не просто, адже ми перебуваємо всередині цієї зоряної системи. Однак, незважаючи на такі ускладнення, астрономи, починаючи від перших робіт Вільяма Гершеля у XVIII ст., знайшли методи, скориставшись якими, змогли розкрити багато її таємниць.

Якби ми могли подивитися на Галактику ззовні, наприклад, «згори», то побачили б, що вона нагадує плоский диск, у якому чітко простежуються спіральні рукави (мал. 226, а).

Мал. 226. Будова Галактики: а — «вигляд згори»; б — «вигляд збоку»

За сучасними уявленнями, Галактика має дві складові частини — плоску та сферичну (мал. 226, б). Сферична підсистема — гало, або корона — складається з газу та дуже старих неяскравих зір. Радіус гало, згідно з даними космічного телескопа ім. Габбла, дорівнює 300 000 св. р. Об'єкти гало концентруються біля центра Галактики, утворюючи балдж (з англ. bulge — опуклість). Плоска підсистема — диск — складається переважно з газу, молодих зір та їхніх скупчень. Вік більшості об'єктів диска — до 1 млрд років. Діаметр диска — 100 000 св. р., а товщина центральної зони 10 000 св. р. У центрі Галактики розташоване ядро діаметром 4000 св. р. Концентрація зір у ядрі дуже висока, ймовірно, у його центрі є дуже масивна чорна діра.

Дослідження зір, а всі зорі, які ми бачимо над головою в ясну ніч, належать нашій Галактиці, показало, що вони істотно різняться між собою фізичними параметрами. Тому зоряне населення Галактики поділяють на дві групи — два типи населення. До населення I типу належать зорі, що заповнюють спіральні гілки Галактики, зорі розсіяних скупчень, довгоперіодичні цефеїди. Важливими представниками населення I типу є гарячі зорі — білі гіганти, зорі ранніх спектральних класів. Населення II типу — це зорі кулястих скупчень, зорі ядра Галактики. Серед цього типу населення виділяють яскраві червоні надгіганти.

Аналіз хімічного складу зоряних атмосфер привів до висновку, що в зір населення I типу (плоска підсистема Галактики) металів приблизно у сто разів більше, ніж у зорях II типу (сферична підсистема). Це зміцнило переконання астрономів у тому, що розподіл зір на підсистеми має глибокий еволюційний сенс (зокрема, виявлено, що в цілому населення I типу значно молодше, ніж населення II типу).

Не лише зорі населяють нашу Галактику. Окрім зір, у ній є зоряні скупчення й асоціації, а також туманності. Значна частина речовини нашої Галактики сконцентрована в міжзоряному просторі — у газопилових хмарах. Довкола Галактики (у полі її сили тяжіння) є кілька десятків невеликих зоряних систем — її супутники.

Туманності, що є в Галактиці, поділяють, відповідно до їх зовнішнього вигляду, на планетарні й дифузні, а відповідно до фізичної природи — на газові, пилові та газопилові. Усі планетарні туманності й частина дифузних є газовими. Пилові туманності бувають і світлими, і темними (мал. 227). Темні туманності поглинають світло зір, що містяться далі. Якщо поблизу туманності є достатньо яскрава зоря, то туманність відбиває її світло й завдяки цьому стає світлою туманністю. Темною є туманність Кінська Голова, що міститься на відстані близько 1500 св. р. у сузір'ї Оріона. Видно Кінську Голову тому, що позаду неї є яскрава туманність IC 434, яка випромінює червоне світло.

Якщо ж зорі, що перебувають поблизу або всередині туманності, дуже гарячі, то, йонізуючи своїм ультрафіолетовим випромінюванням газ, що входить до її складу, вони змушують його світитися так само, як це відбувається в полярних сяйвах на Землі. Тоді до відбитого пилом світла додається власне випромінювання газів туманності.

Найвідомішою серед світлих туманностей є знаменита туманність Оріона, яку видно навіть неозброєним оком як слабеньку хмарку (мал. 227).

Мал. 227 Туманності: а — Кінська Голова; б — Оріона; в — Крабоподібна

Окрім дифузних, існують також компактні туманності правильної форми, які поділяють на волокнисті та планетарні. І якщо саме з дифузними туманностями пов'язують на сьогоднішній день утворення зір, то волокнисті та планетарні туманності формуються на завершальних стадіях розвитку зір зі скинутих ними оболонок. Принаймні частина волокнистих туманностей — це залишки спалахів наднових. Про одну з них ми вже згадували — Крабоподібну туманність із сузір'я Тельця.

Планетарними названо туманності кільцеподібної форми, які здалека мають вигляд слабких кілець або дисків. Планетарні туманності світяться за рахунок ультрафіолетового випромінювання тих зір, чиїми оболонками вони колись були.

Місце Сонячної системи в Галактиці. Наша Сонячна система розташована на краю спірального рукава (Оріона). Наявність спіральних гілок у Галактиці пояснюють гігантськими хвилями стиснення і розрідження міжзоряного газу, які пробігають галактичним диском. Важливим є те, що орбітальна швидкість Сонця в Галактиці майже збігається зі швидкістю руху хвиль стиснення. Саме тому наша планетна система залишається попереду фронту хвилі вже кілька мільярдів років. Ця обставина, ймовірно, мала велике значення для виникнення і збереження життя на Землі. Відстань до центра Галактики становить близько 9000 пк (25 000 св. р.). Перебуваючи на такій відстані, Сонце здійснює один оберт навколо нього за майже 230 млн р., які становлять галактичний рік (швидкість руху Сонця — ). Земля вже облетіла навколо центра Галактики приблизно 25 разів, але науковці не можуть дійти згоди, в якому напрямку обертається наша спіральна Галактика: закручується чи розкручується.

Водночас Сонячна система міститься в дещо особливій ділянці Галактики (мал. 228, с. 274). Цю ділянку називають Місцевою Бульбашкою (англ. — Local Bubble), бо вона має вигляд міхура. Специфіка цієї ділянки полягає в тому, що всередині неї густина міжзоряного газу не більша за 1 атом на 10 см3 — це приблизно уп'ятеро менше, ніж у навколишньому просторі. Сонце разом із планетами увійшло в цю хмару, за різними оцінками, від 44 до 150 тис. р. тому, а вийде з неї протягом найближчих десятків або сотень тисяч років.

Мал. 228. Розташування Сонця в Галактиці (а) та Місцева Бульбашка (б)

Як ми знаємо, Сонячна система рухається, оточена величезним «коконом» магнітного поля — геліосферою (§ 50). Геліосфера відхиляє заряджені частинки міжзоряної речовини, і всередину Сонячної системи вони не проникають. Лише частинки, що не мають заряду, проникають у внутрішню частину нашої планетної системи, потрапляють у сферу впливу Сонця та падають на нього.

Супутники Галактики. Перші два супутники нашої Галактики було відкрито 1519 р. під час навколосвітньої подорожі Фернандо Магеллана. Ці туманні плями, видимі неозброєним оком на зоряному небі Південної півкулі Землі, назвали відповідно Великою й Малою Магеллановими Хмарами — скорочено ВМХ і ММХ (мал. 229). Неозброєним оком видно й галактику Туманність Андромеди, яку спочатку вважали за туманність, тому за нею збереглась така назва.

Мал. 229. Найближчі галактики: а — Велика й Мала Магелланові Хмари; б — Туманність Андромеди

На сьогодні кількість супутників нашої Галактики зросла до кількох десятків. Ці об'єкти лежать, зокрема, в сузір'ях Геркулеса, Діви, Лева, Великого Пса та інших.

Усі вони є невеликими (за розміром, масою, кількістю зір) галактиками, що перебувають у полі тяжіння нашої. Ймовірно, повільно відбувається процес поглинання Галактикою цих карликових зоряних систем. Через кілька мільярдів років наша Галактика поглине й обидві Магелланові Хмари. Ця подія приведе до того, що Галактика додатково отримає велику кількість міжзоряної речовини (її стане приблизно вдвічі більше, ніж є нині), а також багато молодих яскравих зір, що будуть утворюватися. Загалом такі зміни омолодять нашу зоряну систему — вона, ймовірно, стане активнішою, ніж тепер.

Зоряні скупчення. Для будь-яких галактик спільним є те, що це гравітаційно пов'язані системи із зір, зоряних скупчень, міжзоряного газу та пилу, планет та інших космічних об'єктів, які обертаються навколо спільного центра. Просто пов'язані взаємним тяжінням групи зір спільного походження називають зоряними скупченнями. У сузір'ї Тельця спостерігаються Плеяди, де неозброєним оком — видно групу із 7-8 зір, а на світлинах із тривалою експозицією можна отримати близько 300 слабких зір. Поруч з Альдебараном розташоване об'єднання зір — Гіади. Ці та аналогічні їм тісні зоряні групи неправильної форми називають розсіяними зоряними скупченнями. У кожному з них сотні або й тисячі зір, які мають спільне походження, об'єднанні силою всесвітнього тяжіння й разом рухаються у просторі. Діаметри розсіяних зоряних скупчень становлять 10-20 св. р. Більшість розсіяних скупчень складаються тільки із зір головної послідовності, а це означає, що вік цих утворень не перевищує 10-100 млн р., тобто вони доволі «молоді». Зараз відомо близько 1200 розсіяних зоряних скупчень, і майже всі вони розташовані в Молочному Шляху чи поблизу нього.

Окрім розсіяних, спостерігають і зоряні скупчення сферичної чи еліпсоїдної форми, які називають кулястими. Вони мають величезні розміри (до 300 св. р.) і складаються із сотень тисяч зір. Значна кількість червоних гігантів у кулястих зоряних скупченнях свідчить про поважний вік цих утворень. Найстарші з них існують 13-15 млрд р. На відміну від розсіяних, кулясті зоряні скупчення сконцентровані біля центра Галактики. Зараз відомо близько 150 кулястих зоряних скупчень.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Поясніть, чому складно досліджувати нашу Галактику. 2. Назвіть основні складові частини будови Галактики. 3. На основі яких спостережень і коли було виявлено спіральну структуру Галактики? 4. Поясніть, чому зорі в Галактиці поділені на два типи населення? 5. Коротко опишіть місце розташування Сонячної системи в Галактиці.