Фізика і астрономія. Профільний рівень. 11 клас. Засєкіна

§ 56. Галактики

Типи галактик. Ще якихось сто років тому астрономи сприймали нашу Галактику як увесь зоряний Всесвіт. Однак ще в добу Фрідріха Гершеля на зоряному небі виявили тьмяні цятки, які хвилювали астрономів. Як з'ясувалося у 20-х роках минулого століття, багато із цих об'єктів є зоряними системами, тобто галактиками. Відтоді позагалактична астрономія — підрозділ астрономії, що досліджує ці зоряні світи, дослідила тисячі близьких і далеких галактик (мал. 230).

Мал. 230. Галактики, що вдалося зафіксувати за допомогою телескопа «Габбл»

Галактики — головні «блоки», з яких нині складається Всесвіт, — це гігантські зоряні системи, пов'язані в єдине ціле гравітаційною взаємодією.

Світ галактик дуже розмаїтий. Тому не дивно, що нині є кілька класифікацій цих об'єктів. Першим у 1925 р. галактики за їх зовнішнім виглядом класифікував Едвін Габбл. Він виділив три типи галактик: еліптичні, спіральні та неправильні (мал. 231).

Мал. 231. Класифікація галактик за їх зовнішнім виглядом, запропонована Едвіном Габблом

В еліптичних галактиках (їх позначають літерою Е) зорі розподілені переважно сферично-симетрично, що робить ці галактики схожими на кулясті скупчення. У цих галактиках містяться здебільшого старі зорі зоряного населення II, серед яких найяскравіші — червоні гіганти. Саме вони забарвлюють у червонуваті кольори всю галактику в цілому. Через відсутність у таких галактиках міжзоряної матерії процеси зореутворення в них не відбуваються. Маси еліптичних галактик дуже різняться між собою: від менших за один мільйон (карликові еліптичні галактики) до кількох тисяч мільярдів сонячних мас (гігантські еліптичні галактики).

Спіральним галактикам (S) притаманна структура у вигляді плоского тонкого диска, де перебуває більша частина зір. Залежно від ступеня «закрученості» рукавів, ці галактики поділяють на три типи й позначають Sa, Sb, Sc. Диски спіральних галактик зазвичай складаються з молодих зір зоряного населення I, які переважно локалізуються в спіралях. Старі зорі населення II перебувають у гало, тобто на периферії галактики. Крім того, міжзоряний простір у дисках спіральних галактик заповнений великою кількістю пилу та газу, з яких активно утворюються зорі.

Усі інші галактики через неможливість визначити їхню форму класифікують як неправильні (Ir). Маси цих галактик дуже малі (соті частки маси нашої Галактики), і зазвичай вони є супутниками більших галактик. Типовий приклад таких зоряних систем — Магелланові Хмари. У неправильних галактиках є багато міжзоряної речовини й молодих зір.

У 40-х роках ХХ ст. було відкрито першу галактику, що випадає з традиційної класифікації Габбла, — це галактика з активним ядром. До таких галактик належать: радіогалактики, квазари та деякі інші. Для всіх цих об'єктів, у порівнянні зі звичайними галактиками, властива дуже інтенсивна енергетична діяльність у центральних зонах, зокрема в ядрі.

Радіогалактики — зоряні системи, випромінювання яких у радіодіапазоні в тисячі й десятки тисяч разів потужніше, ніж у Молочного Шляху або схожих на нього зоряних систем. Підраховано, що одна галактика на мільйон є радіогалактикою, і здебільшого такими бувають гігантські еліптичні галактики з компактним ядром розмірами менше ніж парсек. Імовірно, ці об'єкти належать до класу галактик з активними ядрами.

У 60-ті роки ХХ ст., коли кількість виявлених галактик і радіогалактик стала досить великою, було зроблено ще одне важливе відкриття: деякі з потужних, але надзвичайно віддалених радіоджерел за спостережень в оптичному діапазоні своїм зовнішнім виглядом більше нагадували зорі, аніж галактики. Їх було виділено в особливий клас і названо квазарами (квазізоряними радіоджерелами). Природа квазарів упродовж двох десятків років була для астрономів загадкою. Однак кропіткі спостереження дали змогу встановити: квазари — не що інше, як дуже компактні й активні ядра деяких галактик, де в об'ємі розмірами із Сонячну систему відбувається колосальне виділення енергії. Завдяки цьому ядра є такими яскравими, що слабкі спіральні рукави галактик дуже важко побачити.

Квазари належать до широкого загалу галактик з активними ядрами, у яких містяться надмасивні (від 100 млн до 1 млрд сонячних мас) чорні діри. Речовина, яка 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 сильно нагрівається й випромінює інфрачервоні, видимі, ультрафіолетові, рентгенівські промені, а часом і гамма-кванти, які можна зареєструвати.

Розмаїття галактик з активними ядрами, ймовірно, лише зовнішнє й залежить від того, під яким кутом їх видно. Споглядаючи галактику з ребра, її оптичного випромінювання, значно ослабленого пилом, ми не бачимо. Але з ділянок обабіч галактичного диска, куди простягаються два перпендикулярні до його площини викиди речовини з ядра, нас без перешкод досягають радіохвилі — тоді це радіогалактика. Якщо галактика зорієнтована так, що викид спрямований уздовж лінії зору спостерігача, то можна спостерігати її дуже яскраве ядро. Така галактика проявляє себе як квазар. І нарешті, якщо площина галактичного диска має якийсь кут нахилу до променя зору спостерігача, то, залежно від величини цього кута, об'єкт має вигляд або радіогалактики, або квазара. Крім того, можливо, що квазари й радіогалактики — це об'єкти одного роду, які перебувають на різних етапах своєї еволюції.

Закон Габбла. Спостереження галактик розпочалися ще в 20-х роках минулого століття. Американський астроном Едвін Габбл та бельгійський астроном, священник і математик Жорж Леметр, досліджуючи спектри галактик, виявили важливу закономірність: що далі галактика від Землі, то з більшою швидкістю вона рухається, віддаляючись від нас (мал. 232). Залежність між відстанню до галактики та швидкістю її віддалення називають законом Габбла1:

де v — швидкість віддалення галактики від спостерігача, r — відстань до неї, H — стала Габбла.

1 У 2018 р. виконавчий комітет Міжнародного астрономічного союзу прийняв рішення перейменувати його на закон Габбла — Леметра.

Сталу Габбла визначають на підставі спостережень і нині її значення оцінюють приблизно в (кілометрів за секунду на мегапарсек). На таку величину зростає швидкість руху галактики за кожний мегапарсек.

Мал. 232. а — Е. Габбл (1889-1953); б — Ж. Леметр (1894-1966); в — моделювання розбігання галактик

Закон Габбла також дає змогу оцінити вік Всесвіту. Вимірявши швидкості віддалення галактик та експериментально визначивши Н, можна отримати оцінку часу, протягом якого галактики розбігаються. Це і є прогнозований час існування Всесвіту.

Із закону Габбла випливають два важливі висновки. Всесвіт розширюється в буквальному сенсі слова «в нікуди». Іншими словами, галактики не просто розлітаються в різні боки в порожньому просторі, а розсовується сам простір. Водночас такі об'єкти, як зорі чи галактики, не зазнають цього розширення (принаймні досі це не зареєстровано), бо завдяки гравітації є стійкими утвореннями. Ще одна особливість цього розширення — зі спостережень із Землі здається, що скупчення галактик розбігаються однаково в різних напрямках, згідно із законом Габбла так, ніби наша Галактика є центром Всесвіту. Однак це оманливе враження. Спостерігач будь-де у Всесвіті буде бачити однакову картину — усі галактики розбігаються від нього. Це означає, що у Всесвіті немає центра, від якого йде розширення.

Другий висновок — Всесвіт колись мав початок. Такого висновку легко дійти, якщо подумки «прокрутити назад» умовну кінострічку розширення Всесвіту. У результаті ми дійдемо до моменту часу, коли вся речовина нашого світу була зосереджена в одній точці.

Великомасштабна модель Всесвіту. Ще в другій половині 50-х років минулого століття було виявлено, що більша частина найяскравіших галактик, видимих із Землі, утворюють цілісну структуру (мал. 233). Дослідження розподілу скупчень і надскупчень галактик у великих об'ємах простору впродовж останніх 50 років дало змогу космологам створити великомасштабну модель Всесвіту. Згідно із цією моделлю, Всесвіт має комірчасту структуру, тобто складається з велетенських порожнин (їх називають войдами), схожих на бджолині стільники, що дотикаються один до одного.

Мал. 233. Модель комірчастої структури Всесвіту

Скупчення й надскупчення галактик, зібрані у волокнисті структури, «нитки» завдовжки в десятки мегапарсек, утворюють своєрідні «стіни», які охоплюють порожнини. Та насправді порожнини — не зовсім порожні. Тепер відомо, що там, де ми бачимо начебто пустий простір, міститься темна матерія, природа якої досі не відома.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Назвіть галактики, які можна спостерігати неозброєним оком. У якій півкулі неба їх видно? 2. За якою ознакою Е. Габбл розподілив галактики на типи? 3. Поясніть, чим відмінні галактики різних типів. 4. Яким чином проявляють себе галактики з активними ядрами? Чим зумовлена ця активність? 5. Поясніть суть закону Габбла. 6. На підставі яких спостережних результатів було відкрито закон Габбла? 7. Поясніть, як оцінюють вік Всесвіту.