Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Засєкіна

§ 52. Галактики

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 приблизно 6000 зір і проекцію частини Галактики — Молочний Шлях. В Україні її ще називали Чумацький Шлях, Стан, Божа Дорога (мал. 223). Назву Молочний Шлях використовують і як власну назву нашої галактики.

Мал. 223. 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. 224, а).

Мал. 224. Будова Галактики: а — «вигляд згори»; б — «вигляд збоку»

За сучасними уявленнями, Галактика має дві складові — плоску та сферичну (мал. 224, б). Сферична підсистема — гало (чи 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 до центра Галактики, утворюючи балдж (з англійської 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 — вони істотно відмінні між собою за фізичними параметрами. Тому зоряне населення Галактики поділяють на дві групи — два типи населення. До населення І типу належать зорі, що заповнюють спіральні гілки Галактики, зорі розсіяних скупчень, довгоперіодичні цефеїди. Важливими представниками населення І типу є гарячі зорі — білі гіганти, зорі ранніх спектральних класів. Населення II типу — це зорі кулястих скупчень, зорі ядра Галактики. Серед цього типу населення виділяються яскраві червоні надгіганти.

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.

Перші два супутники нашої Галактики було відкрито 1519 р. під час кругосвітньої подорожі Фернандо Магеллана. Ці туманні плями, видимі неозброєним оком на зоряному небі Південної півкулі Землі, назвали відповідно Великою й Малою Магеллановими Хмарами (мал. 225). Неозброєним оком видно й галактику Туманність Андромеди, яку спочатку вважали за туманність, тому за нею збереглась така назва.

Мал. 225. Найближчі галактики: а — Велика й Мала Магелланові Хмари; б — Туманність Андромеди

На сьогодні кількість супутників нашої Галактики зросла до кількох десятків.

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.

У темні серпневі ночі, коли сузір’я Лебедя майже в зеніті, можна бачити, що Молочний Шлях, починаючи від Денеба — найяскравішої зорі в Лебеді, двома іскристими стрічками тягнеться до горизонту й далі під горизонт до сузір’я Кентавра. У багатьох його ділянках є зони, де майже відсутні яскраві зорі. Так проявляють себе темні туманності, які поглинають світло зір, що містяться далі. Маси окремих з них сягають 10 000 M_⊙.

Якщо поблизу туманності є достатньо яскрава зоря, то туманність відбиває її світло й завдяки цьому стає світлою туманністю. Якщо ж зорі, що містяться 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. 226).

Мал. 226. Туманності: а — Кінська Голова; б — Оріона; в — Крабоподібна

Місце Сонячної системи в Галактиці. Наша Сонячна система розташована на краю спірального рукава (Оріона) (див. мал. 224, а; с. 247). 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 тис. св. р.). Перебуваючи на такій відстані, Сонце здійснює один оберт навколо нього за майже 230 млн років, які становлять галактичним рік (швидкість руху Сонця — 220 км/с). Земля вже облетіла навколо центра Галактики приблизно 25 разів. Але, астрономи не можуть дійти згоди, в якому напрямку обертаються наша спіральна Галактика: закручується чи розкручується.

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. 227). Залежність між відстанню до галактики та швидкістю її віддалення називають законом Габбла¹:

v = Hr,

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

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

Мал. 227. a — Е. Габбл (1889-1953); б — Ж. Леметр (1894-1966); в — моделювання розбігання галактик

Сталу Габбла визначають на підставі спостережень і нині її значення оцінюють приблизно в 74,2 км/с · Мпк (кілометрів за секунду на мегапарсек). На таку величину зростає швидкість руху галактики за кожний мегапарсек.

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.

Про типи галактик читайте в електронному додатку.

Із закону Габбла випливає два важливих 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 хоч би 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. 228). 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. 228. 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, присутня темна матерія, природа якої досі не відома.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Поясніть, чому складно досліджувати нашу Галактику. 2. Назвіть основні складові будови Галактики. 3. Поясніть, чому зорі в Галактиці поділені на два типи населення. 4. Коротко опишіть місце розташування Сонячної системи в Галактиці. 5. Назвіть галактики, які можна спостерігати неозброєним оком. У якій півкулі неба їх видно? 6. Сформулюйте суть закону Габбла. На підставі яких спостережних результатів було відкрито закон Габбла? 7. Поясніть, як оцінюють вік Всесвіту.