Реферат: Мир Галактик (Галактики и звездные системы)
С древнейших времен людей интересовало, что же находится за горизонтом, и они отправлялись исследовать далекие и незнакомые земли. По мере того как Земля открывала человеку большинство своих белых пятен, астрономы стали выходить в область новых и не исследованных территорий за пределами нашей маленькой планеты. Сегодня исследователи Вселенной, используя современные телескопы и ЭВМ, продвигаются в направлении всё больших расстояний в поисках предела Космоса - последней его границы.
Столетия мы были узниками Солнечной системы, считая звезды просто украшениями сферы, расположенной за планетами. Потом человек признал в этих крошечных светящихся точках другие солнца, настолько далекие, что их свет идет до Земли многие годы. Казалось, что космос населен редкими одинокими звездами, и ученые спорили о том, простирается ли звездное население в пространстве неограниченно или же за некоторым пределом звезды кончаются и начинается пустота. Проникая все дальше и дальше, астрономы нашли такой предел, и оказалось, что наше Солнце - одна из огромного числа звезд, образующих систему под названием Галактика. За границей Галактики была тьма.
XX век принес новое открытие: наша Галактика-это еще не вся Вселенная. За самыми далекими звездами Млечного Пути находятся другие галактики, похожие на нашу и простирающиеся в пространстве до пределов видимости наших крупнейших телескопов. Грандиозные звездные системы - одни из самых потрясающих и наиболее изучаемых современной астрономией объектов, и именно о них пойдет речь далее.
|
1. Размеры и Расстояния |
Млечный Путь - весьма характерный представитель своего типа галактик - столь огромен, что свету требуется более 100 тысяч лет, чтобы со скоростью 300 000 километров в секунду чтобы пересечь Галактику от края до края. Земля и Солнце находятся на расстоянии около 30 тысяч световых лет от центра Млечного Пути. Если бы мы попытались послать сообщение гипотетическому существу, проживающему вблизи центра нашей Галактики, то ответ получили бы не раньше, чем через 60 тысяч лет. Сообщение же, посланное со скоростью самолета (600 миль или 1000 километров в час) в момент рождения Вселенной, к настоящему времени прошло бы лишь половину пути до центра Галактики, а время ожидания ответа составило бы 70 миллиардов лет.
Некоторые галактики гораздо крупнее нашей. Диаметры самых больших из них - обширных галактик, излучающих огромное количество энергии в виде радиоволн, как, например, известный объект южного неба - Центавр А, в сто раз превосходят диаметр Млечного Пути. С другой стороны, во Вселенной много сравнительно небольших галактик. Размеры карликовых эллиптических галактик (типичный представитель находится в созвездии Дракона) составляют всего около 10 тысяч световых лет. Разумеется, даже эти неприметные объекты почти невообразимо огромны: хотя галактику в созвездии Дракона можно назвать карликовой, ее диаметр превосходит 160 000 000 000 000 000 километров.
Хотя космос населяют миллиарды галактик, им совсем не тесно: Вселенная достаточно огромна, чтобы галактики могли удобно в ней разместиться, и при этом еще остается много свободного пространства. Типичное расстояние между яркими галактиками составляет около 5-10 миллионов световых лет; оставшийся объем занимают карликовые галактики. Однако если принять во внимание их размеры, то оказывается, что галактики относительно гораздо ближе друг к другу, чем, например, звезды в окрестности Солнца. Диаметр звезды пренебрежимо мал по сравнению с расстоянием до ближайшей соседней звезды. Диаметр Солнца всего около 1,5 миллиона километров, в то время как расстояние до ближайшей к нам звезды в 50 миллионов раз больше.
Для того чтобы представить огромные расстояния между галактиками, мысленно уменьшим их размеры до роста среднего человека. Тогда в типичной области Вселенной "взрослые" (яркие) галактики будут находиться в среднем на расстоянии 100 метров друг от друга, а между ними расположится небольшое число детей. Вселенная напоминала бы обширное поле для игры в бейсбол с большим свободным пространством между игроками. Лишь в некоторых местах, где галактики собираются в тесные скопления. наша масштабная модель Вселенной похожа на городской тротуар, и уж нигде не было бы ничего общего с вечеринкой или вагоном метро в час пик. Если же до масштабов человеческого роста уменьшить звезды типичной галактики, то местность получилась бы чрезвычайно малонаселенная: ближайший сосед проживал бы на расстоянии 100 тысяч километров - около четверти расстояния от Земли до Луны.
Из этих примеров должно стать ясно, что галактики довольно редко разбросаны во Вселенной и состоят, в основном, из пустого пространства. Даже если учесть разреженный газ, заполняющий пространство между звездами, то все равно средняя плотность вещества оказывается чрезвычайно малой. Мир галактик огромен и почти пуст.
|
2. Виды галактик |
Галактики во Вселенной не похожи друг на друга. Некоторые из них ровные и круглые, другие имеют форму уплощенных разметавшихся спиралей, а у некоторых не наблюдается почти никакой структуры. Астрономы, следуя пионерской работе Эдвина Хаббла, опубликованной в 20-х годах, подразделяют галактики по их форме на три основных типа: эллиптические, спиральные и неправильные, обозначаемые соответственно Е, S и Irr.
Эллиптические галактики характеризуются в целом эллиптической формой и не имеют никакой другой структуры, кроме общего падения яркости по мере удаления от центра. Падение яркости описывается простым математическим законом, который открыл Хаббл. На языке астрономов это звучит так: эллиптические галактики имеют концентрические эллиптические изофоты, т. е. если соединить одной линией все точки изображения галактики с одинаковой яркостью и построить такие линии для разных значений яркости (аналогично линиям постоянной высоты на топографических картах), то мы получим ряд вложенных друг в друга эллипсов примерно одинаковой формы и с общим центром.
Подтипы эллиптических галактик обозначаются буквой Е, за которой следует число n, определяемое по формуле
, где а и b - это соответственно большая и малая полуоси какой-либо изофоты галактики. Таким образом, эллиптическая галактика круглой формы будет отнесена к типу Е0, а сильно сплюснутая может быть классифицирована как Е6
Проще всего выглядят эллиптические галактики: они ровные, однородные по цвету и симметричные. Их почти совершенное строение наводит на мысль об их существенной простоте. И действительно, параметры эллиптических галактик оказалось легче измерить и подыскать под них теоретические модели, чем сделать это для более сложных родственников этих объектов.
Рассмотрим, для примера, строение типичной эллиптической галактики M87. В ее центре находится яркое ядро. окруженное размытым сиянием, яркость которого падает по мере удаления от центра. Как и у всех эллиптических галактик, падение яркости описывается простой математической формулой. Форма контура галактики тоже остается почти одинаковой на всех уровнях яркости. Все изофоты представляют собой почти идеальные эллипсы, центрированные в точности на ядро галактики. Направления больших осей и отношения большой оси к малой почти одинаковы у всех эллипсов.
Фундаментальная простота эллиптических галактик согласуется с предположением о том, что они управляются небольшим числом сил. Орбиты звезд гладкие и хорошо перемешаны и ничто, кроме гравитации, не влияет на их расположение, и никакое непрерывное звездообразование не разрушило их правильности. Когда Хаббл впервые обратил внимание на эти факты, он показал, что строение эллиптической галактики мало отличается от строения простой газовой среды, формируемой лишь гравитационными силами и состоящей из одинаковых частиц примерно одинаковой температуры. Чтобы построить такой объект из звезд, надо лишь взять много похожих звезд, расположить их рядом друг с другом в пространстве, позволить тяготению поработать с ними и долго-долго подождать, пока движения всех звезд не станут похожими. Не следует придавать звездам систематических движений вроде общего вращения, но надо удостовериться в том, что звезды выбраны тихие и благонравные, которые не будут извергаться, выбрасывать вещество или иным способом нарушать скучную монотонность неизменного звездного царства. Но нет необходимости с самого начала распределять их в идеальном шаровом объеме. Можно, например, "сделать" из них ящик прямоугольной формы и просто подождать некоторое время. Звезды сами в конце концов расположатся в виде сфероида. Тяготение действует сферически симметричным образом и, если ваша галактика управляется только гравитацией, то она выровняется, потеряет острые углы и станет симпатичной эллиптической галактикой.
Настоящие эллиптические галактики, разумелся, не являются совершенными сферами. Например, изофоты M87 - это скорее эллипсы, чем окружности, и отношения их осей слегка различаются на разных расстояниях от центра - во внешних частях изофоты менее круглые. Их ориентация тоже немного меняется. Все эти несовершенства говорят нам, что простая модель эллиптических галактик не совсем правильна. Предыстория или особые обстоятельства, наверное, оказали заметное влияние на орбиты звезд. Может быть, дело во вращении или причиной является приливное действие соседних галактик, или же мы наблюдаем проявления особых начальных условий, столь сильные, что тяготению не хватило времени для полного их устранения.
В отличие от эллиптических галактик, для спиральных характерно наличие диска и балджа (утолщения). Спиральные рукава уступают диску и балджу по количеству содержащихся в них звезд, хотя и являются важными и выдающимися частями галактики. (Так же, как глаза на лице человека - это небольшая часть тела, но они привлекают наше внимание и много говорят о внутреннем мире человека.)
Диск спиральной галактики довольно плоский. Видимые с ребра галактики говорят о том, что толщина типичного диска составляет около 1/10 его диаметра. В нашей собственной Галактике, где мы можем вести подсчет звезд в диске и измерять его толщину, оказалось, что звездное население быстро редеет и на высоте 3000 световых лет над плоскостью галактики становится весьма разреженным. Это в особенности справедливо для самых молодых звезд и сырья (газа и пыли), находящегося в ожидании формирования будущих звезд. У спиральных галактик хорошо заметно плоское спиральное распределение яркости вокруг утолщенного ядра. Идеальные спиральные галактики имеют две спиральные ветви (рукава). исходящие либо прямо из ядра, либо из двух концов бара (перемычки), в центре которого расположено ядро. Этот признак позволил разделить спиральные галактики на два основных подтипа: нормальные спиральные галактики (S) и пересеченные спиральные галактики (SB). Нормальных спиральных галактик во много раз больше, чем пересеченных. Дальнейшее разделение спиральных галактик на подтипы проводится по следующим трем критериям: 1) относительной величине ядра по сравнению с размерами всей галактики: 2) по тому, насколько сильно или слабо закручены спиральные ветви и 3) фрагментарности спиральных ветвей.
К типу Sa (или SBa) относят галактики с очень обширной ядерной областью и сильно закрученными спиральными (почти круговыми) ветвями - непрерывными и гладкими, а не фрагментарными. Галактики Sb и SBb имеют относительно небольшую ядерную область при не очень сильно закрученных спиральных ветвях, которые разрешаются на отдельные яркие фрагменты. Галактики типа Sc (и соответствующие им пересеченные галактики) характеризуются сильно фрагментированными обрывочными спиральными рукавами (см. рис. 1 и фото III-IX). У галактик SBc даже бар разделяется на отдельные фрагменты.
У всех спиральных галактик ядро представляет собой яркую область, обладающую многими признаками эллиптической галактики. Закон падения яркости, открытый Хабблом для эллиптических галактик, оказался справедливым и для центральных ядерных областей спиральных галактик и поэтому эти области иногда называют "эллиптическим компонентом".
У некоторых видимых с ребра спиральных галактик заметны мощные тончайшие прослойки пыли, пересекающие диск в самой его середине, в то время как самые старые звезды диска образуют гораздо более толстый слой.
Во второй половине 40-х годов ХХ века У. Бааде (США) установил, что клочковатость спиральных ветвей и их голубизна растут с повышением содержания в них горячих голубых звезд, их скоплений и диффузных туманностей. Центральные части спиральных галактик желтее, чем ветви и содержит старые звезды (население второго типа, по Бааде, или население сферической составляющей), тогда как плоские спиральные ветви состоят из молодых звезд (население первого типа, или население плоской составляющей) (см. рис. Галактики NGC1232).
Данные измерений распределения яркости в дисках спиральных галактик обнаруживают очень важное сходство - это обстоятельство хорошо задокументировано, но до сих пор не получило удовлетворительного объяснения. Яркость весьма регулярным образом падает по мере удаления от центра (см. рис. Галактики NGC 1232) в соответствии с универсальной математической зависимостью, которая, однако, отличается от аналогичной зависимости для эллиптических галактик.
Наблюдаемые свойства галактических дисков находят естественное объяснение в созданных на ЭВМ моделях быстро вращающихся звездных систем. Рассмотрим описанную выше эллиптическую галактику. Если ее протогалактическому газовому облаку придать быстрое вращение еще до образования большинства звезд, то облако приобретет плоскую форму, и распределение звезд будет напоминать диск спиральной галактики. Таким образом, оказывается, что основное структурное отличие эллиптических галактик от спиральных состоит в скорости исходного вращения.
Тогда откуда же появляется балдж? Если быстро вращающееся протогалактическое облако порождает диск, а медленно вращающееся или совсем не вращающееся превращается в эллиптическую галактику, то что же делают в центрах спиральных галактик эти толстые эллипсоидальные балджи? Они обладают большинством структурных свойств эллиптических галактик: правильными изофотами, наличием старых звезд, существенной толщиной и ровно падающим распределением яркости. Ответ следует, по-видимому, искать в том обстоятельстве, что газ ведет себя совсем не так, как звезды. Газовое облако может довольно легко избавиться от энергии - просто нагреваясь и излучая ее. При этом вращающееся газовое облако станет плоским и превратится в диск. Однако если в некоторые момент времени газ начинает конденсироваться в звезды, то ситуация меняется. Звезды не сталкиваются, как атомы в газе. Их размеры слишком малы по сравнению с расстояниями между ними. Так как звезды не нагреваются столкновениями, то они не рассеивают эффективным образом свою энергию и поэтому не коллапсируют в плоскость. Поэтому, если звезды начинают образовываться - а это происходит сначала в центральных областях, где плотность самая высокая, то они останутся на месте в большом толстом центральном балдже.
Например, в Млечном Пути первыми должны были образоваться звезды в центральном балдже, которые сейчас являются старейшими. Оставшийся газ сколлапсировал в плоскость, где медленно образовывались и вращались вместе с газом другие звезды. Этот тонкий плоский диск (хотя этот диск далеко не всегда плоский: см. рис. галактики ESO 510) стал местом большей части последующих активных событий в нашей Галактике: звезды, гигантские молекулярные облака, облака возбужденного газа и крупномасштабные спиральные узоры - все это развивалось здесь, в запутанной структуре, бросающей сейчас вызов нашим теоретическим моделям.